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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE – UFCG
CENTRO DE CIÊNCIAS E TECNOLOGIA – CCT
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA
CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO
DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO
FONTE DE ENERGIA
JOÃO SALES DE SOUZA FILHO
CAMPINA GRANDE – PB
AGOSTO DE 2008
CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO
DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO
FONTE DE ENERGIA
JOÃO SALES DE SOUZA FILHO
Dissertação apresentada ao Programa de Pós
Graduação em Engenharia Química da Universidade
Federal de Campina Grande, em cumprimento às
exigências para obtenção do Grau de Mestre.
Área de Concentração: Desenvolvimento Processos Químicos.
Orientadores: Prof. Dr. Hervé Michel Laborde e o Prof. Kepler Borges França (Ph.D)
CAMPINA GRANDE – PB
AGOSTO DE 2008
FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA CENTRAL DA UFCG S729c
2008 Souza Filho, João Sales. Caracterização de um eletrolisador bipolar para produção de hidrogênio
visando o uso de painéis fotovoltaicos como fonte de energia / João Sales de Souza Filho. ─ Campina Grande, 2008.
96f. : il. Color.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) – Universidade Federal de Campina Grande, Centro de Ciências e Tecnologia.
Referências. Orientadores: Dr. Hervé Michel Laborde e Dr. Kepler Borges França
(Ph.D).
1. Hidrogênio. 2. Eletrolisador. 3. Energia Solar. I. Título.
CDU – 661.96(043)
CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO
DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO
FONTE DE ENERGIA
JOÃO SALES DE SOUZA FILHO
DISSERTAÇÃO APROVADA EM :______________________________
BANCA EXAMINADORA
_____________________________
Prof. Dr. Hervé Michel Laborde
Orientador
_____________________________
Prof. Kepler Borges França (Ph.D)
Orientador
_____________________________
Prof. Dr. José Jailson Nicácio Alves
Examinador
_____________________________
Prof. Dr. Vimário Simões Silva
Examinador (Externo)
CAMPINA GRANDE – PB
AGOSTO DE 2008
DEDICATÓRIA
“Dedico esta dissertação a minha querida mãe Zulmira de Andrade Sales, que ao longo da vida se mostrou ser uma grande mulher, sabendo sempre orientar e mostrar os caminhos que os seus três filhos devem sempre trilhar para conquistar um espaço entre os homens, caminhos estes que foram trilhados com honestidade, caráter, humildade e muita força de
vontade. Serei sempre grato e te amarei por toda minha vida minha querida mãe”
AGRADECIMENTOS
A Deus por mais uma conquista de vida.
Ao professor Kepler Borges França, pela orientação, paciência no desenvolvimento
deste trabalho e apoio por meus 5 anos de atividades no LABDES.
Ao professor Hervé Michel Laborde, pela orientação, apoio, paciência e incentivo
durante os 5 anos de orientação (Julho de 2003 a Julho de 2008) nas minhas atividades
acadêmicas: (3 anos como orientador do PIBIC, orientador na Monografia de curso e 2
anos como orientador no Mestrado).
Aos meus amigos Sérgio Gusmão e Jorge pela colaboração e sugestões nos
equipamentos necessários para prática experimental.
A todos os alunos e servidores que fazem parte do LABDES.
A coordenação da Pós Graduação em Eng. Química, o professor Luis e Maricé P. da
Silva, pelo apoio e dedicação aos alunos da Pós Graduação.
A CAPES pelo apoio financeiro.
Aos meus pais, irmãos e sobrinhos por imenso apoio e carinho.
A minha querida noiva, Vibérica G. Costa que sempre passou o seu apoio, paciência
e orientação em todos os momentos.
RESUMO
CARACTERIZAÇÃO DE UM ELETROLISADOR BIPOLAR PARA PRODUÇÃO
DE HIDROGÊNIO VISANDO O USO DE PAINÉIS FOTOVOLTAICOS COMO
FONTE DE ENERGIA
João Sales de Souza Filho
O hidrogênio surgiu como uma fonte de energia renovável não poluente, que possivelmente
substituirá os combustíveis fósseis. Nesse sentido, este trabalho visa estudar o desempenho
de um eletrolisador bipolar para produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água,
fazendo uso da energia elétrica convencional e energia solar fotovoltaica. O eletrolisador é
constituído de 47 células, usando como eletrólito uma solução de KOH, e foi testado
inicialmente com a energia elétrica convencional. Observou-se que o sistema teve seu
funcionamento ótimo com uma corrente de 42,5 A, e uma tensão de 96,6 V. Isto
corresponde a uma potência de 4,10 kW e uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio. A
energia consumida é de 5,37 kWh/m3 de hidrogênio, o que necessitaria de um sistema de
energia com 64 painéis que forneceria uma vazão máxima de 0,012 m3/h de hidrogênio por
painel. Também foram realizados experimentos com diversas configurações de painéis
fotovoltaicos para avaliar o desempenho do eletrolisador. Com 6 painéis conectados em
série, a mínima produção de hidrogênio foi obtida com uma tensão de 82,8 V e uma
corrente de 1,1 A. Uma máxima produção de hidrogênio de 0,068 m3/h é obtida com uma
configuração de 15 painéis solares em série, gerando uma tensão de 90,0 V e uma corrente
de 4,49 A.
Palavras-chave: Hidrogênio, Eletrolisador e Energia Solar.
ABSTRACT
CHARACTERIZATION OF A BIPOLAR ELECTROLYSER FOR THE
HYDROGEN PRODUCTION USING PHOTOVOLTAIC PANELS AS ENERGY
SOURCE
João Sales de Souza Filho
Hydrogen emerges as a clean renewable energy source that will replace fossil fuels. In this
way, this work studies the performance of a bipolar electrolyser to produce hydrogen from
the water electrolysis, using conventional electricity and photovoltaic solar energy. The
electrolyser is constituted of 47 cells working with a KOH solution electrolyte. First, the
electrolyser was tested with conventional electricity and showed its best production at a
current of 42.5 A and a tension of 96.6 V. This corresponds to a power of 4.10 kW with a
hydrogen flow rate of 0.763 m3/h, meaning a energy consumption of 5.67 kWh/m3 which
would need 64 photovoltaic panels at a maximum flow rate of 0.012 m3/h.panel. In the
second part, the electrolyser is tested with several configurations of photovoltaic panels.
With 6 panels connected in series, a minimum hydrogen production is obtained with a
tension of 82.8 V and a current of 1,1 A. A maximum hydrogen production of 0,068 m3/h is
reached with a solar configuration of 15 panels in series, giving a tension of 90.0 V and a
current of 4.49 A.
Keywords: Hydrogen, Water Electrolyser, Solar energy.
i
SUMÁRIO
SUMÁRIO ..................................................................................................................... i
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................... iii
LISTA DE TABELA..................................................................................................... vi
LISTA DE QUADRO.....................................................................................................viii
LISTA DE FOTO............................................................................................................viii
SIMBOLOGIA................................................................................................................ix
1 – INTRODUÇÃO....................................................................................................... 01
1.1 – Objetivo Geral.........................................................................................................02
1.2 – Objetivos Específicos..............................................................................................02
2 – FUNDAMENTOS TEÓRICOS ............................................................................. 03
2.1 – Hidrogênio ............................................................................................................. 03
2.2 – Perspectiva Energética do Hidrogênio ................................................................... 04
2.3 – Aplicações do Hidrogênio como Combustível........................................................09
2.4 – Produção do Hidrogênio: Eletrólise da Água ........................................................ 11
2.5 – Tipos de Eletrolisador ............................................................................................ 12
2.6 – Reações na Eletrólise da Água............................................................................... 12
2.7 – Processos Eletrolíticos.............................................................................................13
2.8 – Tensão na Célula Eletrolítica ................................................................................. 14
2.9 – Energia Solar.......................................................................................................... 15
2.10 – Painéis Fotovoltaicos.............................................................................................16
3 – EXPERIMENTAL .................................................................................................. 19
3.1 – Material utilizado ................................................................................................... 19
3.1.1 – Material ............................................................................................................... 19
3.1.2 – Produtos Químicos .............................................................................................. 19
3.1.3 – Sistema Eletrolítico ( Eletrolisador Bipolar ).......................................................20
ii
3.2 – Processo Experimental para Determinar o Fluxo do Gás ...................................... 22
3.2.1 – Configurações dos Painéis .................................................................................. 23
3.2.2 – Metodologia..........................................................................................................24
4 – RESULTADOS E DISCUSSÕES .......................................................................... 26
4.1 – Comportamento do Reator Eletrolítico Utilizando Energia Elétrica ..................... 26
4.2 – Medição da Vazão dos Gases Oxigênio e Hidrogênio Utilizando como Fonte de
Energia a Rede Elétrica................................................................................................... 30
4.3 – Comportamento da Corrente, Tensão e Potência do Reator Eletrolítico para Fluxos
Diferentes de Produção do Hidrogênio Utilizando Energia Elétrica
Convencional.....................................................................................................................32
4.4 – Cálculos da Produção do Hidrogênio Utilizando como Fonte de Energia a Rede
Elétrica...............................................................................................................................64
4.5 – Cálculo da Eficiência das Células Eletrolíticas para um Reator Utilizando Energia
Elétrica...............................................................................................................................65
4.6 – Relação da Vazão da Produção de Hidrogênio em Relação a Corrente, Tensão,
Potência do Eletrolisador e Energia Consumida Utilizando Energia Elétrica
Convencional.....................................................................................................................66
4.7 - Projeto de um Sistema de Fornecimento de Energia Solar para a Produção de
Hidrogênio Eletrolítico......................................................................................................71
4.8 – Comportamento da Tensão, Corrente e Potência do Reator Eletrolítico Utilizando
Painéis Fotovoltaicos como Fonte de Energia...................................................................73
4.9 – Cálculo da Eficiência das Células Eletrolíticas Eletrolíticas para um Reator
Utilizando Energia Solar....................................................................................................77
4.10 – Medição da Vazão dos Gases Oxigênio e Hidrogênio Utilizando como Fonte de
Energia Painéis Fotovoltaicos...........................................................................................78
4.11 – Cálculos da Produção do Hidrogênio Utilizando como Fonte de Energia Painéis
Fotovoltaicos......................................................................................................................79
4.12 - Relação da Vazão da Produção de Hidrogênio em Relação a Corrente, Tensão,
Potência do Eletrolisador e Energia Consumida Utilizando Energia Solar.......................80
iii
4.13 - Sistema de Fornecimento de Energia Solar para a Produção de Hidrogênio
Eletrolítico.........................................................................................................................85
4.14 – Comportamento do Eletrolisador em Função da Tensão e Corrente do Reator
Eletrolítico.........................................................................................................................88
5 – CONCLUSÕES ....................................................................................................... .90
6 – PERSPECTIVAS.......................................................................................................92
7 – REFERÊNCIAS ...................................................................................................... .93
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 – Transição Global dos Sistemas de Energia................................................. 06
Figura 2.2 – 1) Configuração Unipolar e 2) Configuração Bipolar do Eletrolisador ..... 12
Figura 3.1 – Fluxograma do Processo Eletrolítico............................................................21
Figura 4.1 - Comportamento do reator eletrolítico em função da pressão ao longo do
tempo.................................................................................................................................27
Figura 4.2 - Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do
Tempo................................................................................................................................28
Figura 4.3 - Comportamento da Corrente em Função do Tempo......................................29
Figura 4.4 - Comportamento da Potência em Função do Tempo......................................30
Figura 4.5 – Curva de Calibração para Diversas Vazões em Função da Corrente............31
Figura 4.6 - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de 0,22
m3/h de H2..........................................................................................................................34
Figura 4.7.a - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,35 m3/h de H2..................................................................................................................35
Figura 4.7.b - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,35 m3/h de H2..................................................................................................................36
iv
Figura 4.8.a - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,51 m3/h de H2..................................................................................................................37
Figura 4.8.b - Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,51 m3/h de H2..................................................................................................................38
Figura 4.9.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,568 m3/h de H2................................................................................................................39
Figura 4.9.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,568 m3/h de H2................................................................................................................40
Figura 4.10.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,623 m3/h de H2................................................................................................................41
Figura 4.10.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,623 m3/h de H2................................................................................................................42
Figura 4.11.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,736 m3/h de H2................................................................................................................43
Figura 4.11.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,736 m3/h de H2................................................................................................................44
Figura 4.12.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,763 m3/h de H2................................................................................................................45
Figura 4.12.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,763 m3/h de H2................................................................................................................46
Figura 4.13.a – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,91 m3/h de H2..................................................................................................................47
Figura 4.13.b – Comportamento da Corrente em Função do Tempo para uma Vazão de
0,91 m3/h de H2..................................................................................................................48
Figura 4.14 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,35 m3/h de H2..................................................................................50
Figura 4.15 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,51 m3/h de H2..................................................................................51
Figura 4.16 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,568 m3/h de H2................................................................................52
v
Figura 4.17 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,623 m3/h de H2................................................................................53
Figura 4.18 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,736 m3/h de H2................................................................................54
Figura 4.19 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,763 m3/h de H2................................................................................55
Figura 4.20 – Comportamento da Tensão do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,91 m3/h de H2..................................................................................56
Figura 4.21 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,22 m3/h de H2..................................................................................57
Figura 4.22 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,35 m3/h de H2..................................................................................58
Figura 4.23 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,51 m3/h de H2..................................................................................59
Figura 4.24 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,568 m3/h de H2................................................................................60
Figura 4.25 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,623 m3/h de H2................................................................................61
Figura 4.26 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,736 m3/h de H2................................................................................62
Figura 4.27 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,763 m3/h de H2................................................................................63
Figura 4.28 – Comportamento da Potência do Reator Eletrolítico em Função do Tempo
para uma Vazão de 0,91 m3/h de H2..................................................................................64
Figura 4.29 – Comportamento da Corrente do Reator em Função de Diversas Vazões de
Hidrogênio.........................................................................................................................68
Figura 4.30 – Comportamento da Tensão do Reator em Função de Diversas Vazões de
Hidrogênio.........................................................................................................................69
Figura 4.31 – Comportamento da Potência do Reator em Função de Diversas Vazões de
Hidrogênio.........................................................................................................................70
vi
Figura 4.32 – Comportamento da Energia Consumida no Reator em Função de Diversas
Vazões de Hidrogênio........................................................................................................71
Figura 4.33 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para
diversas configuração de painéis solares em série.............................................................75
Figura 4.34 – Comportamento da corrente elétrica do reator eletrolítico em função do
tempo para diversas configuração de painéis solares em série..........................................76
Figura 4.35 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para
diversas configuração de painéis solares em série.............................................................77
Figura 4.36 – Curva de Calibração da Vazão em Função da Corrente..............................79
Figura 4.37 - Comportamento da Corrente do Reator em Função de Diversas Vazões de
Hidrogênio.........................................................................................................................82
Figura 4.38 – Comportamento da Tensão do Reator em Função de Diversas Vazões de
Hidrogênio.........................................................................................................................83
Figura 4.39 – Comportamento da Potência do Reator em Função de Diversas Vazões de
Hidrogênio.........................................................................................................................84
Figura 4.40 – Comportamento da Energia Consumida no Reator em Função de Diversas
Vazões de Hidrogênio........................................................................................................85
Figura 4.41 - Comportamento da Vazão por Unidade de Painel em Função do Número de
Painéis Solares...................................................................................................................87
Figura 4.42 – Comportamento da Corrente versus a Tensão do Eletrolisador..................89
LISTA DE TABELA
Tabela 4.1 – Valores experimentais da curva de calibração das vazões em função da
corrente..............................................................................................................................31
Tabela 4.2 - Consumo de Hidrogênio em relação à Corrente do Reator Eletrolítico........33
Tabela 4.3 - Comportamento da Corrente e a quantidade de eletricidade gerada.............33
Tabela 4.4 – Consumo do Hidrogênio em Relação à Tensão do Reator Eletrolítico........49
Tabela 4.5 – Consumo de Hidrogênio em Relação à Potência do Reator Eletrolítico.... .56
vii
Tabela 4.6 – Vazão do Hidrogênio.... ............................................................................. .65
Tabela 4.7 - Tensão Aplicada ao Reator, Tensão em cada Célula e Eficiência das
Células...............................................................................................................................66
Tabela 4.8 – Consumo de Hidrogênio em Relação às Variáveis Corrente, Tensão e
Potência Elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.........................................67
Tabela 4.9 – Valores de Corrente, Tensão do Reator Eletrolítico e o Número de Painéis
Necessários Para Fornecer Energia..................... ............................................................ .72
Tabela 4.10 - Valores da Tensão do Reator em Função do Tempo para Diversas
Configurações de Painéis...................................................................................................74
Tabela 4.11 - Valores de Corrente em Função do Tempo para Diversas Configurações de
Painéis................................................................................................................................75
Tabela 4.12 - Valores da Potência do Reator em Função do Tempo para Diversas
Configurações de Painéis...................................................................................................76
Tabela 4.13 - Tensão Aplicada ao Reator, Tensão em cada Célula e Eficiência das
células................................................................................................................................78
Tabela 4.14 - Valores Experimentais de Corrente, Tempo do Experimento e Volume
Consumido.........................................................................................................................79
Tabela 4.15 – Vazão do Hidrogênio.... ........................................................................... .80
Tabela 4.16 - Consumo de Hidrogênio em Relação às Variáveis Corrente, Tensão,
Potência Elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.........................................81
Tabela 4.17 - Valores de Corrente, Tensão do Reator Eletrolítico, Energia Consumida e o
Número de Painéis Necessários para Fornecer Energia....................................................86
Tabela 4.18 - Valores de Corrente e Tensão, Fornecidos por Painéis solares...................88
viii
LISTA DE QUADRO
Quadro 2.1 – A Relação Atômica Hidrogênio / Carbono.................................................07
LISTA DE FOTO
Foto 2.1 – Célula Fotovoltaica..........................................................................................16
Foto 3.1 – Eletrolisador Bipolar do LABDES..................................................................20
Foto 3.2 – Sistema Experimental Utilizado para Determinar o Fluxo de Gás..................23
ix
SIMBOLOGIA
A – Unidade de corrente
aq – Substância em meio liquido
C – Coulomb
°C – Unidade de temperatura
é – Elétrons transferidos na reação
E – Consumo de energia durante o experimento
F – Constante de Faraday
g – Estado gasoso de uma substância
Ge - Símbolo do elemento químico do germânio
H – Símbolo do elemento químico do hidrogênio
H2 – Símbolo do hidrogênio molecular
l – Estado liquido de uma substância
m3 – Metro cúbico
n – Número de elétrons transferido na reação
η – Eficiência da célula eletrolítica
O – Símbolo do elemento químico do oxigênio
O2 - Símbolo do oxigênio molecular
P – Potência do reator eletrolítico
PV – Painéis fotovoltaicos
ppm – Partes por milhão
Si - Símbolo do elemento químico do Silício
V – Voltagem do reator eletrolítico
W – unidade de potência
Capítulo 1 – Introdução
1
1. INTRODUÇÃO
A sociedade moderna enfrenta sérias dificuldades devido a diversos fatores.
Dois problemas relacionados, que podem ser facilmente identificados, são de crucial
importância para o futuro da sociedade: o esgotamento dos combustíveis fósseis e a
degradação do meio ambiente. Estes problemas estão relacionados com o uso
indiscriminado de combustíveis fósseis para produzir energia. Em particular, o uso desses
combustíveis em um número cada vez maior de veículos que transitam em grandes centros
urbanos é uma das maiores preocupações atuais. A solução destes problemas é, em
princípio, simples: desenvolver energias alternativas não poluentes (Gonzalez, 1999).
O hidrogênio surge como um novo regime energético para o mundo, pois
trata-se do elemento mais leve e mais abundante no universo. O hidrogênio não é
encontrado de forma livre na natureza. Mas ele pode ser obtido de várias maneiras,
através de fontes convencionais ou renováveis como o vento, água, luz solar e biomassa.
Apesar de o hidrogênio ser uma grande fonte de energia, a idéia do seu uso
como combustível passou a ser cogitada a partir da década de 1970, com a crise
provocada pelo aumento do petróleo. Esta crise e os níveis alarmantes de poluição
ambiental mobilizaram a comunidade internacional, trazendo à tona a conversão
eletroquímica de energia, com o uso de células a combustível (Appleby et al, 1993).
As células combustíveis providas de hidrogênio produzem eletricidade. A
pesar de ainda terem um custo elevado, elas tem um potencial de fornecer energia em
grandes proporções.
A utilização de fontes renováveis visa o desenvolvimento e domínio de novas
tecnologias energéticas que viriam a substituir progressivamente as atuais fontes
poluentes e não renováveis.
O Laboratório de Referência em Dessalinização (LABDES) da Universidade
Federal de Campina Grande (UFCG) vem estudando e desenvolvendo um sistema de
produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água. Há mais dez anos que o LABDES
desenvolve pesquisas com hidrogênio com os seguintes trabalhos: Avaliação dos
parâmetros de combustão do H2/O2 obtidos a partir de um reator eletroquímico bipolar
João Sales de Souza Filho
Capítulo 1 – Introdução
2
(Alves, 1992), Sistema de corte e solda de metais não-ferrosos (Andrade, 1993),
Aquecimento de ambiente (Sobrinho, 1995), Fornos de olaria (Pereira, 1999 e 2005).
1.1. OBJETIVO GERAL
O presente trabalho tem como objetivo analisar as variáveis do reator
utilizando energia elétrica convencional para projetar um arranjo de painéis eficiente ao
seu desempenho. Analisar as diversas configurações de painéis fotovoltaicos utilizados
para a produção de hidrogênio eletrolítico.
1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
1- Averiguar o comportamento do reator em função da pressão;
2- Caracterização do reator eletrolítico para tensão, corrente, potência e energia em
função da produção de hidrogênio utilizando energia elétrica convencional;
3- Estudar o comportamento da tensão, corrente, potência e energia do reator
eletrolítico e projetar o número de painéis fotovoltaicos para o reator;
4- Caracterização do reator eletrolítico para tensão, corrente, potência e energia em
função da produção de hidrogênio utilizando energia solar de painéis
fotovoltaicos;
5- Estudar o comportamento da tensão, corrente, potência e energia do reator
eletrolítico em função do número de painéis fotovoltaicos utilizados, para
produção mínima e máxima de hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
3
2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS
2.1. HIDROGÊNIO
O hidrogênio é o elemento mais simples e abundante do universo, com cada
átomo constituído de apenas um próton e um elétron (Lee, 1996 e Amos, 1998).
O hidrogênio está presente em qualquer lugar, mas é difícil de encontrar na
Terra como elemento isolado. Isso porque o campo gravitacional da terra é pequeno
demais para segurar um elemento tão leve, embora algum H2 seja encontrado em gases
vulcânicos. Em contrapartida, o hidrogênio é o décimo elemento mais abundante na
crosta terrestre (1.520 ppm ou 1,152 % em peso). Encontra-se combinado com oxigênio
em água (oceanos), com carbono em hidrocarbonetos (combustíveis tais como carvão,
petróleo e gás natural) e em plantas, animais e outras formas de vida. O hidrogênio
ligado em água e formas orgânicas conta por mais de 70 % da crosta terrestre. O
hidrogênio forma mais compostos que qualquer outro elemento (Lee, 1996).
O hidrogênio não é uma fonte primária de energia, não sendo encontrado em
minas ou jazidas, nem produzido, em grandes quantidades, através de processos naturais
e espontâneos. Por outro lado, pode ser gerado, por meio de um grande número de
processos artificiais envolvendo diversas fontes primárias, tais como: carvão, petróleo,
energia solar, eólica, nuclear, etc (Pereira, 2005).
A reforma a vapor do metano é o mais comum e o método menos caro de
produzir hidrogênio hoje em dia. Envolve o aquecimento do metano (CH4), do qual o
gás natural é principalmente constituído, num reator catalítico. Cerca de 48 % do
hidrogênio produzido mundialmente é proveniente deste processo (College of the
Desert, 2001).
O carvão pode também ser reformado para produzir hidrogênio, através da
gasificação. O hidrogênio pode também ser extraído do petróleo, da gasolina e do
metanol mediante o processo de reforma. Este processo de oxidação parcial, imitação do
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
4
processo da reforma, é um processo comercial que necessita o uso de oxigênio puro, e é
menos eficiente e emite mais gás carbônico do que a reforma a vapor do metano
(College of the Desert, 2001).
A biomassa pode também ser usada para produzir hidrogênio, de duas
maneiras diferentes. Pode ser gasificada como o carvão, ou pode ser feita mediante
pirólise, um processo no qual a biomassa é decomposta pelo calor para formar um óleo
que é então reformado com vapor. Os dois procedimentos são relativamente sensíveis ao
preço e tipo de biomassa e a distância que ela precisa ser transportada, embora, se
resíduos de biomassa são disponíveis, o preço do hidrogênio torna-se competitivo
(College of the Desert, 2001).
O método mais promissor de produção de hidrogênio é a eletrólise que
envolve o uso de eletricidade para decompor a água em hidrogênio e oxigênio.
Atualmente, aproximadamente 4 % do hidrogênio são produzidos pela eletrólise da
água. Este processo é econômico para produzir hidrogênio extremamente puro em
pequenas quantidades. Mas, a eletrólise fica com o custo maior, devido principalmente a
eletricidade que custa atualmente em média 3 a 5 vezes mais do que um combustível
fóssil. (College of the Desert, 2001).
Se a eletrólise for realizada a partir de energia renovável, o resultado é um
ciclo de hidrogênio muito limpo para o meio ambiente. Durante a última década,
sistemas de eletrólise de água funcionando com energia solar e eólica têm sido
demonstrados em vários lugares na Finlândia, na Alemanha (Barthels, 1998), na Itália
(Galli, 1997), na Arábia Saudita, na Espanha, na Suíça (Hollmuller, 2000) e nos Estados
Unidos (Hollenberg, 1995, Lehman, 1997).
2.2. PERSPECTIVA ENERGÉTICA DO HIDROGÊNIO
A ilha Islândia anunciou em 1999 a sua intenção de tornar-se a primeira
sociedade do hidrogênio no mundo. A Islândia, que gastou 815 milhões de dólares – um
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
5
quarto de seu déficit comercial – na importação de petróleo em 2000, juntou as suas
forças com a Shell Hydrogen, a DaimlerChrysler e a Norsk Hydro numa iniciativa
multi–milionária de converter todos os ônibus, carros, e barcos em veículos funcionando
com células a combustível movidas a hidrogênio num intervalo de 30 a 40 anos. A ilha
espera tornar-se a “Kuwait do norte”, exportando hidrogênio para a Europa e outros
países. (Arnason, 2000).
Quando a produção do hidrogênio for especificamente da eletrólise da água,
assim teremos uma energia renovável, pois a produção atual do hidrogênio é derivada
principalmente dos combustíveis fósseis, liberam indiretamente emissões do dióxido de
carbono. Quando a produção de hidrogênio estiver em grande escala e um valor
comercial competitivo com o petróleo, podemos então sair da dependência dos
combustíveis fósseis, que são importados predominantes das regiões instáveis devidos a
suas políticas. A consciência está crescendo também visto que o hidrogênio gerado da
energia solar usando a eletrólise da água (solar-hidrogênio), é a alternativa a mais
promissora para o combustível do futuro (Nowotny et al, 2007).
A Figura 2.1 apresentação a porcentagem da utilização dos combustíveis
desde o ano de 1850, bem como a projeção energética até o ano de 2150, onde se observa
o declínio das fontes energéticas sólidas e liquidas e a ascensão das fontes gasosas (Dunn,
2002).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
6
Figura 2.1 - Transição global dos sistemas de energia (Dunn, 2002)
A passagem de combustíveis sólidos para líquidos para gases envolve uma
outra transição: o processo menos visível de “decarbonilação”. Da madeira para o
carvão, petróleo, gás natural, a relação de átomos de hidrogênio (H) para átomos de
carbono (C) nas moléculas de cada fonte aumentou. Passou de 1 : 3 a 1 : 10 (madeira),
para 1 : 2 (carvão), 2 : 1 (petróleo) e 4 : 1 (gás natural) (quadro 2.1). De 1860 até 1990,
a relação H : C foi multiplicada por 6. O fato mais importante, surpreendente e feliz a
ser enfatizado a partir dos estudos energéticos é que, durante os últimos 200 anos, o
mundo tem progressivamente favorecido átomos de hidrogênio no lugar de átomos de
carbono. A tendência da decarbonilação é no coração da evolução do sistema energético
(Dunn, 2002).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
7
C
CC
C
CC C
C
CC
CC
CC
C
C C
CC
CC
C CC
HH
H
H
H
H
H HH
H
H
H
Coroas H : C = 0,5 : 1
Carvão
C C
H
H
H
H
H H
H
H
H
CC C C
H
H
H
HH
H
H
H
CC
H
H
C
Decano H : C = 2 : 1
Propano (GLP) H : C = 4 : 1,5
C C
H
H
H
H
H H
H
HC
Petróleo mineral
C H
H
H
H
Metano H : C = 4 : 1
Gás natural
H H
H : C =
Hidrogênio
Quadro 2.1 - A relação atômica hidrogênio / carbono (Dunn, 2002).
O Laboratório de Referência em Dessalinização (LABDES) vem estudando e
desenvolvendo um sistema de produção de hidrogênio a partir da eletrólise da água. O
hidrogênio eletrolítico assim produzido é imediatamente usado como combustível,
avaliação dos parâmetros de combustão do H2/O2 obtidos a partir de um reator
eletroquímico bipolar (Alves, 1992), em sistema de corte e solda de metais não-ferrosos
(Andrade, 1993), em aquecimento de ambiente (Sobrinho, 1995), em fornos de olaria
(Pereira, 1999 e 2005).
Em uma região do porte e com concentração de veículos presentes na Região
Metropolitana de São Paulo (RMSP), a emissão e concentração de poluentes no ar são
inevitáveis. Levando em consideração a necessidade de conservação de energia e
eficiência da conversão energética, a redução de emissão de poluentes e o conforto do
público, o governo brasileiro por meio do Ministério de Minas e Energia (MME) e a
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
8
Empresa Metropolitana de Transportes Urbanos EMTU/SP, decidiram apoiar um
programa para estimular o desenvolvimento e a utilização de ônibus com célula a
combustível hidrogênio. O objetivo do projeto é reduzir as emissões de gases poluentes
pela introdução de uma nova fonte de energia e tecnologia de propulsão para ônibus
urbanos, o combustível hidrogênio (Sulaiman et al, 2004).
A Arábia Saudita tem seu clima seco com altas temperaturas e o país
encontra-se com necessidade de aproveitar tanta energia solar disponível. O hidrogênio
e a energia solar são grandes fontes de energia para o futuro, no qual já encontra-se uma
planta da energia solar, produzindo 350 kW de potência que vêm dos painéis
fotovoltaicos, no qual encontra-se acoplado a um eletrolisador de água, que com a
eletricidade solar produz 463 m3 do hidrogênio por dia. Entretanto, as vantagens
econômicas previstas a ser considerada neste papel é a geração de eletricidade com os
painéis fotovoltaicos, e também pela produção do hidrogênio devido a eletrólise da água
(Sulaiman et al, 2004).
No presente momento há dois sistemas experimentais de energia renovável em
desenvolvimento no México. O primeiro é em um local grande, um sistema conectado a
painéis solares, células combustíveis e hidrogênio produzindo 10 kW de energia solar,
que está sendo realizado em um centro de pesquisa de energia e o segundo é um sistema
de produção de hidrogênio por meio de energia eólica que gera 10 kW que está sendo
realizado na universidade politécnica de Chiapas, para produzir energia e bombear água.
Estes tipos de sistemas de energia renovável são ajustados a fim de avaliar os aspectos
técnicos, econômicos, e ambientais de tecnologias diferentes da energia renovável. As
principais atividades desta pesquisa no México são concentradas na produção do
hidrogênio pela eletrólise, produção do bio-hidrogênio usando os micro-organismos,
armazenamento do hidrogênio nos nano-materiais e sua utilização (Sebastian et al, 2007).
Tem-se que 80% da demanda de energia do mundo são fornecidos por
combustíveis fósseis. Devido a isto, foi proposto um programa de geração eletrolítica do
hidrogênio para o Brasil com o auxílio dos painéis fotovoltaicos. O hidrogênio gerado
servirá como fonte de energia e substituirá gradativamente o combustível fóssil. O local
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
9
proposto para a instalação do projeto é na região nordeste do Brasil, uma região com
grande incidência da radiação solar. Foi observado que se nenhum hidrogênio estiver
introduzido e o combustível fóssil permanecer disponível durante todo o século XXI, a
poluição aumentará em torno de 19 vezes até o ano de 2060. Já a introdução do
hidrogênio reduzirá a poluição em aproximadamente 60% até o ano 2055 (Lutero et al,
2001).
2.3. APLICAÇÕES DO HIDROGÊNIO COMO COMBUSTÍVEL
Atualmente, os combustíveis fósseis correspondem a 88% da demanda
mundial de energia, dentre esses o petróleo é cerca de 38%, o carbono 30%, e gás natural
20%. Já a energia proveniente de combustíveis não fósseis corresponde a 12%, sendo 7%
hidroeletricidade e 5% nuclear. Sabe-se também, que as reservas de petróleo e gás natural
devem durar várias décadas e as de carbono, vários séculos.Apesar dessa situação
aparentemente sustentável, o desenvolvimento de novos sistemas energéticos alternativos
está bastante intensificado (Avaca et al., 2002). Os principais motivos para essa
preocupação são:
a) o aumento exagerado do consumo destas fontes convencionais de energia;
b) a distribuição não homogênea dos recursos energéticos
c) a produção de contaminantes pelos combustíveis fósseis (emissão de CO2) e
os problemas ambientais correlacionados como chuva ácida, efeito estufa,
derramamento de petróleo.
Diversas formas de energia não-convencionais e renováveis estão sendo
consideradas como possíveis fontes energéticas para suprir essa demanda crescente.
Dentre elas podemos destacar a energia nuclear (fissão), a termonuclear (fusão), a solar,
eólica, hidráulica, geotérmica. Algumas dessas fontes energéticas apresentam algumas
desvantagens como ser intermitentes (solar, eólica); estar localidades fixas (hidráulica,
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
10
geotérmica, biomassa); e além disso não podem ser usadas diretamente como
combustível para transporte particular ou público (Avaca et al., 2002).
Estes pré-requisitos podem ser muito bem atendidos pelo hidrogênio, por
este poder ser armazenado, transportado, não contaminar, independente de fontes
primárias, renovável e também pode ser utilizado de várias formas diferentes (Avaca et
al., 2002).
A maior aplicação energética atual do Hidrogênio é o programa espacial
norte-americano; em que ele é usado como combustível primário dos foguetes e fonte de
energia elétrica durante as missões através de células combustíveis. Outro campo de
utilização em grande escala são as centrais elétricas funcionando com células
combustíveis, tendo como desvantagem a contaminação de catalisadores pelas
impurezas presentes no hidrogênio obtido a partir do metano (Wendt et al., 2000).
As pesquisas visando à utilização de hidrogênio estão voltadas para a
aplicação em turbinas a vapor para produção de energia elétrica. Nesses sistemas, a
tecnologia é derivada dos foguetes, em que o hidrogênio juntamente com oxigênio se
combinam por combustão a altas temperaturas e pressão, gerando grande quantidade de
calor. Com a adição de água no reator o vapor é gerado e este gira uma turbina e a
energia elétrica é produzida de forma convencional (Wendt et al., 2002).
O uso de hidrogênio em veículos tem alguns problemas que devem ser
considerados. O primeiro é o armazenamento do hidrogênio que será usado como
combustível. O H2 pode ser transportado de formas diferentes:
Como gás comprimido em cilindros
Na forma líquida em tanques criogênicos
O hidrogênio armazenado em cilindros é muito pesado e ocupa grande
volume; o líquido sofre evaporação intensa, e as células combustíveis são caras (Wendt
et al., 2002).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
11
O hidrogênio necessário para a combustão pode ser gerado no veículo
usando um reformador alimentado por um combustível líquido como a gasolina ou
álcool. Esses sistemas já estão disponíveis no mercado, mas apresentam um problema
de pureza do gás gerado (Wendt et al., 2002).
O uso de células combustíveis como gerador de energia para transporte vem
sendo estudado por várias empresas desde a década de 80. O primeiro automóvel
movido à célula combustível foi lançado nos Estados Unidos em 1991 (Wendt et al.,
2002).
2.4. PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO: ELETRÓLISE DA ÁGUA
É uma reação de decomposição de substâncias por efeito de uma corrente
elétrica. Tal reação se processa a temperatura e pressão constantes em um reator
denominado célula eletrolítica. Esta é uma reação “força”, pois só se realiza mediante o
consumo de trabalho elétrico útil, que é então armazenado na forma de energia livre de
Gibbs (Pereira, 2005).
A produção de hidrogênio pela eletrólise da água é, em princípio, muito
simples. Uma célula eletrolítica básica é constituída de um par de eletrodos imersos em
um eletrólito condutor dissolvido em água. A corrente elétrica passa através da célula de
um eletrodo para o outro e o hidrogênio é produzido em um eletrodo (cátodo) e o oxigênio
no outro eletrodo (ânodo). A água consumida deve ser reposta continuamente (Pereira,
2005).
Na prática, a célula eletrolítica é mais complicada, contendo vários
componentes que lhe permitem trabalhar eficiente e economicamente. A reação de
decomposição da água é uma reação endotérmica, representada da seguinte forma:
H2O H2 + ½ O2 (2.1)
ΔH = 58,15 kcal/mol a 150oC (Bockris, 1975).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
12
2.5. TIPOS DE ELETROLISADORES
Existem dois tipos de configuração em relação aos eletrodos, configuração
unipolar ou bipolar.
Na configuração unipolar, conforme mostra a Figura 2.2, os eletrodos de
mesma polaridade da célula eletrolítica são associados eletricamente em paralelo, fazendo
com que a voltagem total da célula seja a mesma de um par de célula, aproximadamente
2,0 volts (Pereira, 2005).
2 1
Figura 2.2 - 1) Configuração unipolar e 2) configuração bipolar do eletrolisador (Pereira,
2005).
No eletrolisador bipolar, conforme mostra a configuração 2 da Figura 2.2, os
eletrodos são ligados eletricamente em série. A voltagem total da célula é dada pelo
número de células multiplicado pela voltagem de uma célula. Desta forma tem-se uma
alta voltagem e uma baixa amperagem (Pereira, 2005).
2.6. REAÇÕES NA ELETRÓLISE DA ÁGUA
Aplicando uma diferença de potencial nos eletrodos do reator eletrolítico é
gerado assim um campo elétrico no meio eletrolítico, produzindo um fluxo iônico
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
13
direcionado; os íons de carga positiva se dirigem para o cátodo e os negativos para o
ânodo (Pereira, 2005).
Para os eletrólitos alcalinos, a reação é a seguinte:
Eletrólito alcalino H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) (2.1)
2.7. PROCESSOS ELETROLÍTICOS
Industrialmente existem três versões para o processo de ruptura eletrolítica da
molécula de água para produção de hidrogênio com alto grau de pureza:
a) Eletrólise da água com eletrólitos alcalinos usando um diafragma poroso para
separar os compartimentos catódico e anódico, evitando assim a mistura do
hidrogênio com o oxigênio (Kreuter, 2002).
As reações que ocorrem nos eletrodos são:
Cátodo −− +→+ OHHeOH 222 22
Ânodo −− ++→ eOHOOH 2212 22
b) Eletrólise da água com membrana ou eletrólito polimérico sólido onde se utiliza
uma membrana de troca iônica, condutora de prótons que atua como eletrólito e
como separador de eletrodos porosos, simultaneamente. A água a ser dissociada não
precisa de um eletrólito dissolvido para aumentar sua condutividade, sendo
colocada no sistema no lado anódico somente (Kreuter, 2002).
As reações eletrolíticas são:
Ânodo −+ ++→ eOHOH 2212 22
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
14
Cátodo 222 HeH →+ −+
c) Eletrólise do vapor de água a alta temperatura (700 – 1000ºC), utilizando uma
cerâmica condutora de íons O-2 (tal como ZrO2 cúbico estabilizado por Y2O3, MgO ou
CaO). A água que será dissociada na célula é introduzida no lado catódico, na forma de
vapor. Desta forma a quebra eletrolítica da água gera uma mistura de hidrogênio com
vapor de água. Os íons O-2 são levados através do material cerâmico em direção ao
ânodo, onde são descarregados para produzir o oxigênio (Kreuter, 2002).
As reações neste caso são:
Cátodo 222 2 −− +→+ OHeOH
Ânodo −− +→ eOO 221
22
2.8. TENSÃO NA CÉLULA ELETROLÍTICA
A aplicação da teoria termodinâmica ao processo conduz aos seguintes
resultados:
n.FG-E1
Δ=
Voltagem mínima para o desenvolvimento das reações (1,23 volts).
n.FHE2
Δ=
Voltagem termoneutra, onde não há troca de calor entre o sistema químico e o meio
ambiente (1,47 volts) onde n é número de elétrons transferido na reação, F, a constante
de Faraday (96.489 Coulombs/equivalente) e ΔH, a variação da entalpia da reação
(Pereira, 2005).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
15
2.9. ENERGIA SOLAR
A energia solar é uma fonte inesgotável e gratuita. Sendo assim, podendo
solucionar parte dos problemas de escassez de energia que abala o mundo. Nos países
subdesenvolvidos, como o Brasil, esta fonte de energia deve ser aproveitada ao máximo.
Normalmente esses países apresentam elevadas extensões territoriais e estão situados
em zonas tropicais, ou seja, dispõem de alta incidência de radiação, o que torna viável o
desenvolvimento de tecnologias capazes de transformar a energia solar em energia
térmica, elétrica, química, mecânica etc (Palz, 1981).
A conversão direta de energia solar em eletricidade tem sido objeto de
estudo desde o fim do século XIX. O efeito fotoelétrico foi descoberto em 1890, quando
Lenrich Hertz, testando a teoria eletromagnética da luz proposta por Maxwell,
verificando a existência de ondas eletromagnéticas quando uma placa metálica era
exposta à luz ultravioleta (Palz, 1981).
Em 1950, foi descoberto que certos materiais denominados de
semicondutores tinham a propriedade de converter eletricidade quando expostos à luz,
principalmente a luz solar (Palz, 1981).
Em 1954, nos Laboratórios de Bell Telephone, nos Estados Unidos, foram
desenvolvidos pastilhas de silício, onde se viu que o silício tem uma eficiência de 10
vezes mais, do que as outras substâncias, na transformação de luz em eletricidade. Em
1955, em Phoenix, no Arizona, ocorreu a primeira apresentação pública de células
fotovoltaicas para a geração de eletricidade (Palz, 1981).
Desde então, o silício mostrou ser o material mais barato e eficiente para a
produção de eletricidade através do efeito fotovoltaico, vem sendo o elemento mais
comercializado para a produção de painéis fotovoltaicos (Palz, 1981).
A transformação da radiação eletromagnética (a luz solar) em energia
elétrica é feita por células fotovoltaicas, ou células solares (foto 2.1), que podem ser
entendidas como dispositivos semicondutores que produzem uma corrente elétrica
quando expostos à luz. Os semicondutores mais comuns são os formados por elementos
do grupo IV da tabela periódica, em especial silício (Si) e germânio (Ge), submetidos á
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
16
dopagem (troca de alguns átomos da estrutura cristalina por átomos de outros
elementos). Se a dopagem é feita com átomos pentavalentes, o cristal é do tipo N. Feita
com átomos trivalentes, o cristal é do tipo P. Quando um cristal é unido a um P forma-se
uma junção P-N e surge um campo elétrico na região da junção (Palz, 1981).
Quando a célula é exposta à luz (que, no nível atômico, atua como um fluxo
de partículas chamadas fótons), parte dos elétrons do material iluminado absorve fótons
e, essa energia extra, ‘escapa’ dos átomos. Os elétrons livres vagueiam pelo
semicondutor até serem atraidos pelo campo elétrico existente na área de junção e,
através de uma ligação externa, são levados para fora da célula, ficando disponíveis para
uso (energia elétrica). A célula fotovoltaica não armazena energia elétrica, pois cada
elétron que a deixa é substituído pelo retorno de outro (Palz, 1981).
2.10. PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
Os módulos fotovoltaicos, painéis fotovoltaicos (PV) são encontrados
comercialmente nos tamanhos que variam entre 10 e 300 Watts. Um sistema
fotovoltaico completo consiste de um painel ou um módulo conectado a um inversor
que converte a eletricidade de corrente direta em corrente alternada que é compatível
com o sistema da rede elétrica (McVeigh, 1979, Palz, 1981).
Foto 2.1 - Célula fotovoltaica.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
17
As fotocélulas possuem os mais diversos empregos, tanto no campo espacial
quanto no campo terrestre. No campo espacial possuem aplicação na geração de
eletricidade para equipamentos lançados ao espaço, como os satélites. No campo
terrestre é utilizada na geração de energia elétrica para: utilização em cerca elétrica;
bombeamento d’água; refrigeração; iluminação; televisores; telefonia rural; recarga de
baterias automotivas; acionamento de bombas de sistemas de dessalinização de águas,
etc. Porém, seu uso ainda está limitado a regiões remotas e em pequenas escala.
(McVeigh, 1979, Palz, 1981).
Os painéis fotovoltaicos operam a partir de células solares, a conversão da
radiação solar ocorre entre dois eletrodos anexados num sistema liquido ou sólido, onde
absorve a luz solar, onde gera a energia elétrica. Assim o material tem que ser de alta
pureza e de alta perfeição cristalina (Goetzberger et al., 2002).
O material de célula solar ideal: é constituído de material não tóxico; fácil
para instalação em grandes áreas; uma ótima eficiência do painel fotovoltaico e longo
tempo de estabilidade (Goetzberger et al., 2002).
No futuro surgiram novas classes de materiais de células solares orgânicas,
do ponto de vista global, isto pode ser considerado uma vantagem, de alta potência e
baixo custo na eficiência da célula solar (Goetzberger et al., 2002).
O silício tem um pequeno problema, onde 50% do custo de um módulo é
devido ao custo da produção de bolachas de silício. A tecnologia presente está
relativamente amadurecendo, mas vários estudos têm mostrado que isto ainda pode ter
uma redução nos custos. Simulações mostraram que os parâmetros ideais para uma alta
eficiência, apontam que com o descrever da espessura da célula a voltagem do circuito
aberto aumenta, devido à corrente reduzir, que é resultado da geometria dos painéis
(Goetzberger et al., 2002).
A energia solar pode ser transformada em outras formas úteis como, por
exemplo, em eletricidade. É preciso tirar vantagem por todos os meios possíveis desta
inesgotável fonte de energia que pode nos tornar independente do petróleo ou de
alternativas menos seguras, mais caras, com preços atrelados ao dólar. Porém, ainda
existem problemas a superar. É preciso lembrar de que esta energia é sujeita a
João Sales de Souza Filho
Capítulo 2 – Fundamentos Teóricos
18
flutuações e variações. Por exemplo, a radiação é menor no inverno, quando mais
precisamos dela. É muito importante continuar buscando tecnologia de recepção,
acumulação e distribuição da energia solar. Durante o presente ano, o Sol irradiará na
Terra quatro mil vezes mais energia que do que vamos consumir. O Brasil possui os
mais elevados índices mundiais dessa fonte de energia (Vera et al., 2004).
Na Inglaterra futuramente terá um projeto para um ônibus movido a energia
solar, o ônibus irá liberar vapor d´água ao invés de dióxido de carbono. A luz solar é
convertido em eletricidade usada para fazer a eletrólise da água em hidrogênio e
oxigênio, o hidrogênio será comprimido em células de combustível consumido pelo
ônibus, onde a única emissão será o vapor d´água, acredita-se que seja o maior projeto
mundial usando energia solar e hidrogênio (Sebastian, 2001).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 3 – Experimental
19
3 EXPERIMENTAL
Este trabalho foi desenvolvido no Laboratório de Referência em
Dessalinização da Universidade Federal de Campina Grande (LABDES/UFCG) e tem
por finalidade analisar as variáveis do reator para projetar um arranjo de painéis
eficientes ao seu desempenho e analisar as diversas configurações de painéis
fotovoltaicos para a produção de hidrogênio eletrolítico do eletrolisador.
3.1. MATERIAL UTILIZADO
Para a realização deste trabalho foram utilizados os seguintes equipamentos e
reagentes:
3.1.1. MATERIAL
O eletrolisador bipolar é constituído das seguintes unidades:
• um reator eletrolítico, composto de 47 células separadas por espaçadores
de PVC de 0,2 cm de espessura com 26 cm de diâmetro;
• um manômetro, um voltímetro e um amperímetro;
• Reservatório do eletrólito;
• Purgadores;
• Trocador de calor;
• Fonte de alimentação;
• Regulador de pressão.
3.1.2.PRODUTOS QUÍMICOS
• KOH (Hidróxido de Potássio);
João Sales de Souza Filho
Capítulo 3 – Experimental
20
• Benzina;
• Álcool.
3.1.3. SISTEMA ELETROLÍTICO (ELETROLISADOR BIPOLAR)
O eletrolisador bipolar apresentado na Foto 3.1 possui as seguintes características:
• Tipo: Eletrolisador Bipolar
• Potência máxima do reator: 5000 W
• Tensão do reator: 96 V
• Corrente máxima do reator: 50 A
• Pressão de trabalho: 1,5 kgf/cm2 - 1,0 kgf/cm2
Foto 3.1: Eletrolisador Bipolar do LABDES.
A Figura 3.1 apresenta o sistema. do eletrolisador bipolar que é constituído das
seguintes unidades:
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Capítulo 3 – Experimental
21
• um reator eletrolítico, constituído de 47 células em série (local onde os
gases são gerados);
• um sistema de refrigeração que atua como trocador de calor, cuja
função é baixar a temperatura do gás eletrólitico facilitando a
condensação do eletrólito;
• um purgador utilizado para evitar a presença de íons estranhos;
• selos controladores de chama, que são a benzina e ou álcool etílico
com o objetivo de evitar o recuo, diminuindo seu caráter explosivo;
• Fonte de alimentação que corresponde ao transformador monofásico
de 220 V para 110 V, retificador de corrente e disjuntor de segurança;
• um pressostato utilizado para controlar a pressão interna do sistema
através da pressão de saída dos gases.
Fluxograma do Processo
Figura 3.1: Fluxograma do Processo Eletrolítico (Pereira, 2005).
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Capítulo 3 – Experimental
22
3.2 PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL PARA DETERMINAR O FLUXO
DO GÁS
Durante o processo, foi avaliada a energia necessária para o funcionamento do
eletrolisador, e projetado a quantidade de painéis fotovoltaicos necessários para atender
as especificações do reator eletrolítico e determinado o fluxo de gás para cada arranjo de
painel.
Para determinar o fluxo do gás não foi utilizado um fluxômetro comercial,
devido os gases (H2 + O2) saírem juntos do eletrolisador, os fluxômetros comerciais são
específicos para medir a vazão do hidrogênio ou oxigênio, então foi montado um sistema
experimental como mostra a Foto 3.2, uma proveta de 2 litros, um recipiente de vidro de
8 litros, o maçarico e um cronômetro. O sistema experimental foi utilizado durante cada
experimento da seguinte maneira, depois de conectado os painéis solares ao reator
eletrolítico acoplou o maçarico entre a proveta e o recipiente, tanto o recipiente quanto a
proveta estavam cheios com água, em seguida anotou o valor inicial de volume em que a
água se encontrava na proveta e com um cronômetro marcou o tempo em que em
esvaziava a água da proveta. Anota o valor final em que a água restou depois do
experimento, obtendo o valor do volume de água deslocado pela presença do gás que
ocupou o lugar da água em um determinado tempo, para cada arranjo de painéis foram
realizados em média quatro medições, para um tempo de 3 minutos para cada
experimento e depois fez a média do volume e tempo, para assim fazer os cálculos que
determina a vazão do gás (O2 + H2).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 3 – Experimental
23
Foto 3.2: Sistema experimental utilizado para determinar o fluxo de gás.
3.2.1. CONFIGURAÇÕES DOS PAINÉIS
A configuração dos painéis depende da demanda energética dos equipamentos
que serão alimentados pelo sistema de energia solar.
A ligação elétrica em série dos painéis solares permite a obtenção de uma
maior tensão por uma corrente constante enquanto a ligação em paralelo permite obter
uma maior corrente por uma tensão constante. Logo, a ligação em série será vantajosa
para aparelhos que precisam utilizar baixa corrente e alta tensão e a ligação em paralelo
será favorável ao uso de equipamentos que necessitam de baixa tensão e alta corrente.
De posse dos dados obtidos através do consumo energético do eletrolisador
em função da produção de hidrogênio, pode projetar um sistema de fornecimento de
energia solar, ou seja, definir o número de painéis fotovoltaicos necessários ao melhor
desempenho do eletrolisador em estudo.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 3 – Experimental
24
3.2.2. METODOLOGIA
Procedimentos básicos para ligar o eletrolisador com energia elétrica
convencional:
SELETOR DE CORRENTE (3)
VERIFICAÇÕES (1)
CHAVE GERAL (2)
ELETROLISADOR (4)
MAÇARICO (5)
LEITURA DOS DADOS (6)
1) PROCEDIMENTO – Observar os níveis de água, benzina e álcool,
verificar se há algum tipo de vazamento e se o maçarico está fechado;
2) PROCEDIMENTO – Ligar a chave do disjuntor;
3) PROCEDIMENTO – Posicionar a chave seletora na corrente desejada;
4) PROCEDIMENTO - O eletrolisador começa a produzir hidrogênio de
forma semi-contínua, ocorre o desligamento automático do reator, quando esta atinge a
João Sales de Souza Filho
Capítulo 3 – Experimental
25
pressão de trabalho de 1,5 kgf/cm2, em seguida o reator volta a ligar novamente quando
atingir a pressão mínima de operação da máquina (1,0 kgf/cm2).
5) PROCEDIMENTO – Ajustar a abertura da válvula do maçarico;
6) PROCEDIMENTO - Os dados são lidos através de um sistema de aquisição
de dados, que está conectado ao um computador, onde o programa do sistema permite
registrar os dados para uma futura análise.
Procedimentos básicos para ligar o eletrolisador com energia obtida de painéis
fotovoltaicos:
VERIFICAÇÕES (1)
CHAVE GERAL (2)
MAÇARICO (3)
LEITURA DOS DADOS (4)
1) PROCEDIMENTO – Observar os níveis de água, benzina e álcool,
verificar se há algum tipo de vazamento e se o maçarico está fechado;
2) PROCEDIMENTO – Ligar a chave do disjuntor;
5) PROCEDIMENTO – Ajustar a abertura da válvula do maçarico;
6) PROCEDIMENTO - Os dados são lidos através de um sistema de aquisição
de dados, que está conectado ao um computador, onde o programa do sistema permite
registrar os dados para uma futura análise.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
26
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES
Os resultados obtidos nesta etapa foram avaliados e discutidos, quanto ao
comportamento da corrente, tensão e potência do reator eletrolítico em função do tempo
para diversas vazões de produção do hidrogênio, utilizando como fonte de alimentação
para o reator a energia elétrica convencional. Também foi projetado um sistema de
fornecimento de energia solar para a produção de hidrogênio eletrolítico.
Em uma segunda etapa foram avaliados os dados de corrente, tensão e
potência do reator eletrolítico em função do tempo para diversas vazões de produção do
hidrogênio, utilizando painéis fotovoltaicos como fonte de alimentação para o reator.
Várias configurações de painéis fotovoltaicos foram montadas para a produção de
hidrogênio eletrolítico.
4.1 COMPORTAMENTO DO REATOR ELETROLÍTICO UTILIZANDO
ENERGIA ELÉTRICA.
Durante a eletrólise são produzidos os gases hidrogênio e oxigênio de forma
separada. Devido o eletrolisador ter uma única saída de gás que é o maçarico, então os
gases hidrogênio e oxigênio saem misturado do reator eletrolítico.
A Figura 4.1 apresenta o comportamento do reator eletrolítico em função da
pressão do sistema. Durante o experimento o reator é controlado de forma automática pelo
pressostato para desligar quando a pressão dos gases atingir um valor de 1,5 kgf/cm2 no
reator, evitando assim um aumento de pressão no reator que pode causar vazamento.
Quando a máquina estiver desligada, o consumo de hidrogênio e oxigênio provoca a
diminuição dos gases no reator. Quando esta pressão atinge 1,0 kgf/cm2, então a máquina
liga e começa a produzir hidrogênio e oxigênio novamente.
Este processo é automatizado, tanto para ligar como desligar a alimentação
elétrica do eletrolisador. O tempo de ligamento e desligamento depende da demanda e
do consumo dos gases produzidos.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
27
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4
1,0
1,1
1,2
1,3
1,4
1,5
ReatorLigado
ReatorDesligado
ReatorLigado
Pre
ssão
máx
ima
de tr
abal
ho(k
gf/c
m2 )
Tempo
Figura 4.1: Comportamento do reator eletrolítico em função da pressão ao longo do tempo.
As Figuras de 4.2, 4.3 e 4.4 apresentam como ocorre o funcionamento do
reator eletrolítico em relação às variáveis: tensão, corrente e potência do reator
eletrolítico.
A Figura 4.2, apresenta a variação da tensão do reator eletrolítico em função
do tempo. Durante o experimento o reator é controlado de forma automática para
desligar quando a produção de hidrogênio atingir uma pressão de 1,5 kgf/cm2 no reator,
evitando assim um aumento de pressão no reator que pode causar vazamento. O
descarregamento acontece de forma capacitiva, e quase nunca o valor da tensão chega à
zero, quando o hidrogênio produzido for sendo consumido e a pressão for diminuindo e
atingir uma pressão mínima de 1,0 kgf/cm2 no reator, então o reator liga novamente de
forma instantânea.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
28
30
40
50
60
70
80
90
100
20
0 10 20 30 400
10
Tens
ão(V
)
Tempo(s)
Figura 4.2: Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo.
A Figura 4.3 apresenta a variação da corrente em função do tempo. Quando a
máquina está desligada vai consumido o hidrogênio e também vai diminuindo a pressão
do reator para 1,0 kgf/cm2, então a máquina liga e começa a produzir hidrogênio.
Durante alguns segundos a máquina fica ligada com uma determinada corrente, em
seguida a máquina se desliga e o valor da corrente volta à zero. Quando o reator
eletrolítico se desliga é devido à pressão interna da máquina que atinge a pressão de
calibragem do pressostato (1,5 kgf/cm2), cortando assim a corrente.
.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
29
0 10 20 30 400
5
10
15
20
25
30
35
Cor
rent
e(A
)
Tempo(s)
Figura 4.3: Comportamento da corrente em função do tempo.
Na Figura 4.4 apresenta a potência do reator eletrolítico em função do tempo,
esta variável é apresentada de acordo com os valores obtidos de corrente e tensão do
reator, apresentando as mesmas características de ligar e desligar automaticamente, que
depende da pressão interna do reator. Representando a quantidade de potência necessária
para produção de hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
30
0 10 20 30 400,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
Pot
ênci
a(kW
)
Tempo(s)
Figura 4.4: Comportamento da potência em função do tempo. 4.2 MEDIÇÃO DA VAZÃO DOS GASES OXIGÊNIO E HIDROGÊNIO
UTILIZANDO COMO FONTE DE ENERGIA A REDE ELÉTRICA
Para determinar a produção dos gases (O2 + H2) foi montado um sistema com
uma proveta e um recipiente de vidro no qual foi imerso o maçarico com saída de gás. Os
dados apresentados na Tabela 4.1 referem-se à curva de calibração das vazões em função
da corrente. Cada ponto na Figura representa a média de três repetições realizadas para
cada valor de corrente e o tempo de esvaziamento da proveta. A Figura 4.5 apresenta a
curva de calibração das vazões em função da corrente, o aumento da vazão do gás é
proporcional ao aumento da corrente.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
31
Tabela 4.1 – Valores experimentais da curva de calibração das vazões em função da
corrente.
Corrente(A) 0 30 41 48 50
Tempo(s) 0 5,4 3,4 2,6 2,5
Volume (L) 0 1 1 1 1
Vazão(m3/h) 0 0,67 1,07 1,36 1,40
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
Y=(-0,0527)+(0,02819*X) R=0,99094
0 10 20 30 40 500,0
Vazõ
es d
os G
ases
O2 e
H2(m
3 /h)
Corrente(A)
Figura 4.5 – Curva de calibração para diversas vazões em função da corrente.
Para determinar a produção de hidrogênio a partir da mistura dos gases, foi
visto que para cada 1 mol de água são produzidos 1 mol de hidrogênio e 0,5 mol de
oxigênio.
1 mol de H2O(l) -- 1 mol de H2(g) + 0,5 mol de O2(g)
Para obter o valor da produção de hidrogênio foram realizados os seguintes
cálculos. A equação mostra que a vazão obtida é então igual à 1,5 vezes a vazão do
hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
32
4.3 COMPORTAMENTO DA CORRENTE, TENSÃO E POTÊNCIA DO
REATOR ELETROLÍTICO PARA FLUXOS DIFERENTES DE PRODUÇÃO
DO HIDROGÊNIO UTILIZANDO ENERGIA ELÉTRICA CONVENCIONAL
As Figuras 4.6 a 4.29 apresentam a variação da corrente, tensão e potência
do reator eletrolítico em função do tempo para vazões distintas de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h
de hidrogênio.
Ao testar o desempenho do sistema de produção de hidrogênio eletrolítico,
as variáveis (tensão, corrente e potência elétrica) do sistema são caracterizados de
acordo com o seu desempenho, usando como fonte energética a rede elétrica.
As Figuras 4.6 a 4.13 que representam a corrente do reator eletrolítico em
função do tempo, tem uma corrente média de 13,5 A à 50,3 A, para os fluxos que
variam de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h de hidrogênio, respectivamente. Com o aumento da
produção de hidrogênio, ocorre o aumento da corrente. Após certo intervalo de tempo,
ocorre o desligamento automático da máquina (amperagem cai à zero) significando que
os gases já estão na pressão de trabalho da máquina.
Analisando o comportamento da variação da tensão, as figuras 4.14 e 4.21,
mostram que os valores das tensões aumentam os fluxos do gás, a tensão depende do
número de células do reator (47 células) para fornecer mais voltagem.
As Figuras 4.22 a 4.29 têm o comportamento da potência do reator
eletrolítico em função do tempo em relação às vazões de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h.
Através da tensão e corrente, obtém a potência do reator eletrolítico, no qual
a potência média de 1,27 kW a 4,87 kW, para diversos fluxos de 0,22 m3/h a 0,91 m3/h.
Logo com o aumento do fluxo da produção do hidrogênio, ocorre o aumento da potência
do reator eletrolítico.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
33
Tabela 4.2 – Consumo de hidrogênio em relação à corrente do reator eletrolítico.
Figuras Corrente (A) Vazão do H2 (m3/h)
4.6 13,50 0,220 4.7 20,70 0,350 4.8 29,05 0,510 4.9 32,10 0,568 4.10 35,04 0,623 4.11 41,10 0,736 4.12 42,50 0,763 4.13 50,30 0,910
A Tabela 4.3 apresenta a relação da corrente com a quantidade de
eletricidade gerada, observa-se que com o aumento da corrente, irá gerar mais fluxo
de elétrons. Como conseqüência, a vazão também aumentará, mostrando que o
aumento da produção de hidrogênio está relacionado com o aumento da corrente.
Através da integração da área da figura (utilizando o software Origin 6.0),
obteve a quantidade de eletricidade. Com a seguinte equação:
Q = I dt (4.1)
Tabela 4.3 – Comportamento da corrente e a quantidade de eletricidade gerada.
Corrente (A) Quantidade de
eletricidade (C)
13,50 5400,5 20,70 8285,8 29,05 11621,5 32,10 12842,2 35,04 14018,2 41,10 16442,9 42,50 17001,2 50,30 20120,1
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
34
A Figura 4.6 tem um comportamento diferente em relação às demais figuras
que representam as correntes do eletrolisador, visto que quando o reator produz uma
quantidade suficiente de hidrogênio, a pressão interna da máquina atinge a pressão de
calibragem do pressostato (1,5 kgf/cm2) automaticamente desliga-se o reator, para esta
figura não ocorre o desligamento da máquina, devido à produção de hidrogênio ser
consumida a mesma quantidade que foi produzida.
Esta Figura tem uma corrente de 13,5 A, com uma produção de 0,22 m3/h de
hidrogênio, durante o inicio do experimento ocorreu um aumento na corrente,
ocasionada por no momento em que quando liga a máquina aparece o surgimento das
primeiras bolhas de gás, que ficam retidas nas paredes do meio, assim há um aumento
da corrente para romper esta resistência. Logo após, a corrente tende a se estabilizar
produzindo assim o hidrogênio. A quantidade de eletricidade gerada para este
experimento foi de 5400,5 C, que produziu a vazão de 0,22 m3/h, a uma corrente média
de 13,5 A. O aumento da quantidade de eletricidade é proveniente do aumento da
corrente, aumentando assim a vazão do gás. Visto que, o aumento da corrente é um fator
limitante para a vazão do gás.
0 100 200 300 4000
3
6
9
12
15
18
Cor
rent
e(A)
Tempo(s) Figura 4.6 – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,22 m3/h de H2.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
35
A partir da Figura 4.7 até a Figura 4.12, é perceptível uma mudança no
comportamento do eletrolisador quando, nestes casos, a corrente de operação é superior
a 20 A. A partir desses valores da corrente nota-se, então, que o sistema passou a
desligar-se quando a pressão máxima de trabalho da máquina é atingida (1,5 kgf/cm2) e
só voltando a religar quando o gás produzido for consumido, e por conseqüência, atingir
a pressão de trabalho de 1,0 kgf/cm2.
A Figura 4.7.a mostra o comportamento da corrente de 20,7 A em função do
tempo para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio, o primeiro ciclo de trabalho é
irregular devido à formação de bolhas dentro do reator impedindo a produção do gás. Os
dois ciclos consecutivos devem-se a uma diminuição da corrente, ou seja, um ajuste do
setup de corrente. A partir do quarto ciclo de trabalho, nota-se que o sistema entra em
regime permanente.
A quantidade de eletricidade para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio foi
de 8285,8 C, o aumento da corrente gerou a necessidade de mais eletricidade para
produzir uma maior vazão.
0 100 200 300 4000
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
Tempo(s)
Cor
rent
e(A
)
Figura 4.7.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
36
A Figura 4.7.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente de
20,7 A em função do tempo. Para a Figura 4.7.a. tem seu desempenho da seguinte
maneira, passa 19 segundos ligado produzindo gás, em seguida quando o pressostato
atinge seu ponto de trabalho, desliga o reator, passando assim 6 segundos desligado, até
o momento em que necessite produzir o gás novamente.
O tempo de produção do gás é de 19 segundos, que depende da corrente
aplicada, quanto maior a corrente, menor será o tempo de produção do gás. Já o tempo
de 6 segundos em que encontra-se desligado o reator, vai depender da quantidade de gás
que esta saindo pelo maçarico. Visto que, com o maçarico todo aberto o tempo de
desligamento será muito pequeno.
Para esta Figura, o maçarico encontrava-se com 80% de sua válvula aberta.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 600
3
6
9
12
15
18
21
24
Tempo Desligado=6s
Tempo Ligado=19s Tempo Ligado=19s
Cor
rent
e(A)
Tempo(s)
Figura 4.7.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h.
A Figura 4.8.a representa o comportamento da corrente em função do tempo
para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio, operando com uma corrente de 29,05 A.
Como já foi observado na figura anterior, tem o mesmo processo de ligar e desligar. A
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
37
figura tem o primeiro ciclo um comportamento incomum aos demais ciclos, pois no
momento que em que liga o reator, ocorre a formação das primeiras bolhas de gás,
impedindo a formação do gás. Mas a partir do segundo ciclo em diante, o processo de
formação do gás ocorre de forma coerente por todo o experimento.
A quantidade de eletricidade para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio foi
de 11621,5 C, com o aumento da corrente para 29,05 A.
0 100 200 300 4000
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
Tempo(s)
Cor
rent
e(A)
Figura 4.8.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.
A Figura 4.8.b, analisa de forma detalhada o comportamento da corrente em
função do tempo para a uma corrente de 29,05 A. Para este sistema tem o seguinte
desempenho, na produção do gás à máquina passa 6 segundos ligado, em seguida
quando o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente,
passando 5 segundos desligado (com a válvula toda aberta), até o momento em que
necessite produzir o gás novamente. O tempo de produção de 6 segundos é inferior ao
da Figura 4.6.b, pois com o aumento da corrente, diminui o tempo de produção, devido
ser mais rápido a formação do gás.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
38
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 300
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
Tempo Desligado=5s
Tempo Ligado=6sTempo Ligado=6s
Cor
rent
e(A
)
Tempo(s)
Figura 4.8.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.
A Figura 4.9.a apresenta o comportamento da corrente em função do tempo
para uma vazão de 0,568 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 32,1 A. Tendo o seu
comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.
As Figuras anteriores têm em seu primeiro ciclo a formação de bolhas, e
nesta figura não a presença deste fenômeno, pois antes de iniciar este experimento já
tinham realizados outras bateladas. Todos os ciclos estão coerentes para o processo de
formação do gás.
O aumento da corrente para 32,1 A, foi responsável pelo o aumento da
quantidade de eletricidade de 12842,2 C, que elevou a vazão para 0,568 m3/h de
hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
39
0 100 200 300 4000
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
Cor
rent
e (A
)
Tempo (s)
Figura 4.9.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.
A Figura 4.9.b, analisa de forma detalhada o comportamento da corrente em
função do tempo a uma corrente de 32,1 A. Tendo o seguinte desempenho, na produção
do gás, à máquina passa 3 segundos ligado, em seguida quando o pressostato atinge seu
ponto de trabalho, desliga-se automaticamente, passando 13 segundos desligado, até o
momento em que necessite produzir o gás novamente.
Como a corrente aumentou, logo diminuiu o tempo de produção do gás,
fechou a válvula em cerca de 80%, aumentando assim, o tempo para ligar a máquina.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
40
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 390
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
Tempo Desligado=13s
Tempo de Ligamento=3sTempo de Ligamento=3s
Cor
rent
e(a)
Tempo(s)
Figura 4.9.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.
A Figura 4.10.a apresenta o comportamento da corrente em função do tempo
para uma vazão de 0,623 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 35,04 A. Tendo o
seu comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.
Como já havia realizados outros experimentos anterior, não ocorreu a
formação de bolhas. Foram realizados todos os manuseios de mudança de corrente e
abertura ou fechar a válvula do maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim
qualquer interferência na figura.
O aumento da corrente para 35,04 A, foi responsável pelo o aumento da
quantidade de eletricidade de 14018,2 C, que elevou a vazão para 0,623 m3/h de
hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
41
0 100 200 300 4000
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
Cor
rent
e (A
)
Tempo (s)
Figura 4.10.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.
A Figura 4.10.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em
função do tempo.
Na produção do gás, à máquina passa 3 segundos ligado, em seguida quando
o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente, passando 8
segundos desligado, até o momento em que necessite produzir o gás novamente.
Como a corrente aumentou, logo diminuiu o tempo de produção do gás,
neste experimento deixou a válvula na metade.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
42
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 340
3
6
9
12
15
18
21
24
27
30
33
36
39
Tempo Desligado=8s
Tempo Ligado=3s Tempo Ligado=3s
Cor
rent
e(A)
Tempo(s)
Figura 4.10.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.
A Figura 4.11.a representa o comportamento da corrente em função do
tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 41,1 A. Com
o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.
Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas, mas nos
primeiros 4 ciclos, foi realizado um manuseio na válvula do maçarico, pois a válvula
encontrava-se muito aberta, então fechou-se um pouco, diminuindo assim seu espaço de
desligamento.
Aumentou a corrente para 41,1 A, gerando o aumento da quantidade de
eletricidade de 16442,9 C, que elevou a vazão para 0,736 m3/h de hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
43
0 100 200 300 4000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Cor
rent
e(A)
Tempo(s)
Figura 4.11.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2
A Figura 4.11.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em
função do tempo. Na produção do gás, à máquina passa 3 segundos ligado, em seguida
quando o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente,
passando 7 segundos desligado, até o momento em que necessite produzir o gás
novamente.
O tempo de produção do gás neste experimento permitiu a abertura da
válvula em 50%.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
44
0 4 8 12 16 20 24 280
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Tempo Desligado=7s
Tempo Ligado=3sTempo Ligado=3s
C
orre
nte(
A)
Tempo(s)
Figura 4.11.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2.
A Figura 4.12.a representa o comportamento da corrente em função do
tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio, com uma corrente de 42,5 A. Com
o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.
Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram
realizados todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do
maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na Figura.
Aumentou a corrente para 42,5 A, gerando o aumento da quantidade de
eletricidade de 17001,2 C, que elevou a vazão para 0,763 m3/h de hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
45
0 100 200 300 4000369
12151821242730333639424548
Cor
rent
e (A
)
Tempo (s)
Figura 4.12.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.
A Figura 4.12.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em
função do tempo. Na produção do gás, à máquina passa 2,5 segundos ligado, em
seguida quando o pressostato atinge seu ponto de trabalho, desliga-se automaticamente,
passando 8 segundos desligado, até o momento em que necessite produzir o gás
novamente.
Para este experimento fechou a válvula do maçarico um pouco menos da
metade, aumentando o tempo desligamento.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
46
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 300
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Tempo Desligado=8s
Tempo Ligado=2,5s Tempo Ligado=2,5s
Cor
rent
e(A)
Tempo(s)
Figura 4.12.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.
A Figura 4.13.a representa o comportamento da corrente em função do
tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de hidrogênio, com uma corrente máxima de 50,3
A. Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da
máquina.
Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram
realizados todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do
maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na Figura.
Aumentou a corrente para 50,3 A, gerando o aumento da quantidade de
eletricidade de 20120,1 C, que elevou a vazão para 0,91 m3/h de hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
47
0 100 200 300 4000
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
Cor
rent
e(A)
Tempo(s)
Figura 4.13.a – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.
A Figura 4.13.b, mostra de forma detalhada o comportamento da corrente em
função do tempo. Na produção do gás, à máquina passa 2 segundos ligado, diminuindo
ainda mais o tempo de produção do gás, em seguida quando o pressostato atinge seu
ponto de trabalho, desliga-se automaticamente, passando 8 segundos desligado, até o
momento em que necessite produzir o gás novamente.
Para este experimento fechou a válvula do maçarico um pouco menos da
metade, aumentando o tempo de desligamento.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
48
0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 300
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Tempo desligado=8s
Tempo Ligado=2sTempo Ligado=2s
Cor
rent
e(A)
Tempo(s)
Figura 4.13.b – Comportamento da corrente em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.
Abaixo encontra-se a Tabela para formação dos gráficos da tensão do reator
eletrolítico.
Observa-se um aumento de tensão em todos os experimentos, mais é devido
a um ajuste de setup para aumentar a corrente e a tensão depende também do número de
células presentes no reator eletrolítico, que são de 47 células.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
49
Tabela 4.4 – Consumo de hidrogênio em relação à tensão do reator eletrolítico.
Figuras Tensão (V) Vazão do H2 (m3/h)
4.14 95,6 0,350 4.15 95,9 0,510 4.16 96,1 0,568 4.17 96,15 0,623 4.18 96,5 0,736 4.19 96,6 0,763 4.20 96,9 0,910
As Figuras de 4.14 a 4.20 apresentam o comportamento da tensão do reator
eletrolítico em função do tempo, para diversas vazões de hidrogênio. Visto que a tensão
do reator depende da quantidade de número de células que formam o reator eletrolítico e
um ajuste no setup para aumentar a corrente.
A partir da Figura 4.14 até 4.20 a máquina começa desligar e ligar,
significando que durante a realização dos experimentos a pressão atingiu a pressão de
calibragem da máquina.
Na Figura 4.14, observa-se o comportamento da tensão do reator eletrolítico
em função do tempo, para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio. Nota-se também que o
descarregamento acontece de forma capacitiva, não chegando a zero, e sim, a um valor
mínimo de 26 A, para os ciclos. O reator tem uma faixa de aquecimento que varia de
30ºC a 60ºC. Para este experimento, a temperatura de aquecimento estava em torno de
50°C.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
50
0 100 200 300 40005
101520253035404550556065707580859095
100
Tempo(s)
Tens
ão(V
)
Figura 4.14 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h de H2.
A Figura 4.15 apresenta o comportamento da tensão do reator de 95,9 V, em
função do tempo, para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio. A corrente de descarga
chegou a 32 A, pois a temperatura do reator encontrava-se em torno de (50ºC).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
51
0 100 200 300 40005
101520253035404550556065707580859095
100
Tempo(s)
Tens
ão(V
)
Figura 4.15 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.
A Figura 4.16 apresenta o comportamento da tensão do reator de 96,1 V, em
função do tempo, para uma vazão de 0,568 m3/h de hidrogênio. A corrente de descarga
chegou a 10 A, pois a temperatura do reator encontrava-se na temperatura mínima (30ºC).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
52
0 100 200 300 40005
101520253035404550556065707580859095
100
Tens
ão (V
)
Tempo (s)
Figura 4.16 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.
A Figura 4.17 representa o comportamento da tensão do reator de 96,15 V, em
função do tempo, para uma vazão de 0,623 m3/h de hidrogênio. As correntes de descarga,
chegaram a 14 A, pois a temperatura do reator encontrava-se na temperatura mínima
(30ºC).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
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0 100 200 300 40005
101520253035404550556065707580859095
100
Tens
ão (V
)
Tempo (s)
Figura 4.17 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.
A Figura 4.18 apresenta o comportamento da tensão do reator de 96,5 V, em
função do tempo, para uma vazão de 0,736 m3/h de hidrogênio. As demais correntes de
descarga, chegaram a 13 A, pois a temperatura do reator encontrava-se na temperatura
mínima (30ºC).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
54
0 100 200 300 40005
101520253035404550556065707580859095
100
Tens
ão(V
)
Tempo(s)
Figura 4.18 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2.
A Figura 4.19 apresenta o comportamento da tensão do reator de 96,6 V, em
função do tempo, para uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio. Nos 40 segundos iniciais
da produção do hidrogênio, um dos fios desconectaram do reator provocando assim, um
erro de leitura. Após resolver o problema, os valores da tensão voltaram a ser
significativos.
As correntes de descarga, chegaram a 9 A, pois a temperatura do reator
encontrava-se na temperatura mínima (30ºC).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
55
0 100 200 300 40005
101520253035404550556065707580859095
100
Tens
ão (V
)
Tempo (s)
Figura 4.19 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.
A Figura 4.20 representa o comportamento da tensão do reator de 96,9 V, em
função do tempo, para uma vazão de 0,91 m3/h de hidrogênio.
As demais correntes de descarga chegaram a 10 A, pois a temperatura do
reator encontrava-se na temperatura mínima (30ºC).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
56
0 20005
101520253035404550556065707580859095
100
400
Tens
ão(V
)
Tempo(s)
Figura 4.20 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.
A Tabela 4.5 apresenta a potência do reator eletrolítico para diversas vazões
de hidrogênio.
Tabela 4.5 – Consumo de hidrogênio em relação à potência do reator eletrolítico.
Figuras Potência (kW) Vazão do H2 (m3/h)
4.21 1,27 0,220 4.22 1,98 0,350 4.23 2,78 0,510 4.24 3,08 0,568 4.25 3,37 0,623 4.26 3,97 0,736 4.27 4,10 0,763 4.28 4,87 0,910
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
57
As Figuras 4.21 a 4.28 apresentam a variação da produção de hidrogênio e o
consumo de energia em função do tempo, referente aos experimentos realizados.
A Figura 4.21 mostra o experimento em que uma potência de 1,27 kW
atingiu uma vazão de hidrogênio de 0,22 m3/h. Observa-se nas figuras seguintes que
com o aumento da vazão do gás, a o aumento da potência.
0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Potê
ncia
(kW
)
Tempo(s)
Figura 4.21 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,22 m3/h de H2.
A Figura 4.22 mostra o comportamento da potência em função do tempo para
uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 1,98 kW.
O primeiro ciclo de trabalho irregular deve-se a formação de bolhas dentro do
reator impedindo a produção. Os dois ciclos consecutivos deve-se a uma diminuição da
corrente, ou seja, um ajuste do setup de corrente. A partir do quarto ciclo de trabalho,
nota-se que o sistema entra em regime constante de trabalho.
Os ciclos da Figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e
tensão.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
58
0 1 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
00 200
Tempo(s)
Potê
ncia
(kW
)
Figura 4.22 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,35 m3/h de H2.
A Figura 4.23 apresenta o comportamento da potência em função do tempo
para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 2,78 kW.
Como já foi observado na figura anterior, tem o mesmo processo de ligar e desligar. A
Figura tem o primeiro ciclo um comportamento incomum aos demais ciclos, pois no
momento que em que liga o reator, ocorre a formação das primeiras bolhas de gás,
impedindo a formação do gás. Mas a partir do segundo ciclo em diante, o processo de
formação do gás ocorre de forma coerente por todo o experimento.
Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e
tensão.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
59
0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Tempo(s)
Potê
ncia
(kW
)
Figura 4.23 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,51 m3/h de H2.
A Figura 4.24 apresenta o comportamento da potência em função do tempo
para uma vazão de 0,568 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 3,08 kW.
Tendo o seu comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de
trabalho da máquina. As Figuras anteriores têm em seu primeiro ciclo a formação de
bolhas, e nesta figura não a presença deste fenômeno, pois antes de iniciar este
experimento já tinham realizados outras bateladas. Todos os ciclos estão coerentes para o
processo de formação do gás.
Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e
tensão.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
60
0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Tempo (s)
Pot
ênci
a (k
W)
Figura 4.24 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,568 m3/h de H2.
A Figura 4.25 apresenta o comportamento da potência em função do tempo
para uma vazão de 0,623 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 3,37 kW.
Tendo o seu comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de
trabalho da máquina.
Como já havia realizados outros experimentos anteriores, não ocorreu à
formação de bolhas. Foram realizados todos os manuseios de mudança de corrente e
abertura ou fechar a válvula do maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim
qualquer interferência na figura.
Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente
tensão.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
61
0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
Tempo (s)
Potê
ncia
(kW
) Figura 4.25 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,623 m3/h de H2.
A Figura 4.26 apresenta o comportamento da potência em função do tempo
para uma vazão de 0,736 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 3,97 kW.
Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho
da máquina.
Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas, mas nos
primeiros 4 ciclos, foi realizado um manuseio na válvula do maçarico, pois a válvula
encontrava-se muito aberta, então fechou-se um pouco, diminuindo assim seu espaço de
desligamento.
Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e
tensão.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
62
0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
Po
tênc
ia(k
W)
Tempo(s)
Figura 4.26 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,736 m3/h de H2.
A Figura 4.27 apresenta o comportamento da potência em função do tempo
para uma vazão de 0,763 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 4,10 kW.
Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho
da máquina. Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram
realizados todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do
maçarico, anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na figura.
Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e
tensão.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
63
0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Pot
ênci
a (k
W)
Tempo (s)
Figura 4.27 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,763 m3/h de H2.
A Figura 4.28 apresenta o comportamento da corrente em função do tempo
para uma vazão de 0,91 m3/h de hidrogênio, operando com uma potência de 4,87 kW.
Com o comportamento de ligar e desligar relacionado à pressão de trabalho da máquina.
Durante este experimento não ocorreu à formação de bolhas. Foram realizados
todos os manuseios de mudança de corrente e abertura ou fechar a válvula do maçarico,
anterior ao experimento. Evitando assim qualquer interferência na figura.
Os ciclos da figura de potência serão decorrentes da variação da corrente e
tensão.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
64
0 100 200 300 4000,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
Potê
ncia
(kW
)
Tempo(s)
Figura 4.28 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para uma vazão de 0,91 m3/h de H2.
4.4 CÁLCULOS DA PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO UTILIZANDO COMO
FONTE DE ENERGIA A REDE ELÉTRICA
Para determinar a produção do gás foi montado um sistema experimental com
uma proveta e um recipiente de vidro no qual foi imerso o maçarico com saída de gás.
Com o tempo necessário para o esvaziamento da proveta para obteve as vazões de 0,33
m3/h a 1,37 m3/h de gás (O2 + H2).
A partir dos dados da Tabela 4.6 foi possível quantificar a produção de
hidrogênio obtida na reação da decomposição da água:
H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) (4.2)
Assim foi visto que para cada mol de água são produzidos 1 mol de hidrogênio
e 0,5 mol de oxigênio. Para obter o valor da produção de hidrogênio foram realizados os
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
65
seguintes cálculos. A equação mostra que a vazão obtida é então igual a 1,5 vezes a
vazão do hidrogênio. Conseqüentemente, a vazão do hidrogênio é:
Vazão do hidrogênio = 1,37 m3/h vazão do gás (H2 + O2) / 1,5 = 0,91 m3/h de
hidrogênio.
De forma análoga foram realizados todos os cálculos para determinar a
produção de hidrogênio em cada experimento. Encontram-se presentes na tabela abaixo:
Tabela 4.6 – Vazão do hidrogênio.
Vazão do gás O2 + H2 (m3/h)
Vazão do H2 (m3/h)
0,330 0,220 0,530 0,350 0,770 0,510 0,850 0,568 0,935 0,623 1,104 0,736 1,144 0,763 1,370 0,910
4.5 CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DAS CÉLULAS ELETROLITICAS PARA UM
REATOR UTILIZANDO ENERGIA ELÉTRICA.
As tensões aplicadas no reator eletrolítico foram de 94,4 a 96,9 V, obtidas
com a diferença de potencial aplicada sobre a quantidade do número de células presente
no reator, que são de 47 células, tendo assim em cada célula uma diferencia de potencial
de 2,00 a 2,06 Volts. Através da diferença de potencial aplicada, pode-se obter a
eficiência das células eletrolíticas, a Tabela 4.7 apresenta a relação da tensão aplicada
no reator, a tensão aplicada por célula e a eficiência das células.
A eficiência de uma célula eletrolítica em termos de tensão é dada por:
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
66
( ) 10047,1% ×⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Vη (4.3)
Tabela 4.7 – Tensão aplicada ao reator, tensão em cada célula e eficiência das células.
Tensão(V) Tensão em cada célula(V)
Eficiência(%)
94,40 2,00 73,2 95,60 2,03 72,3 95,90 2,04 72,0 96,10 2,04 72,0 96,15 2,05 71,9 96,50 2,05 71,9 96,60 2,06 71,5 96,90 2,06 71,5
A tensão aplicada a cada célula foi de 2,00 a 2,06 volts, tendo assim uma
eficiência de 71,5 a 73,2%. Os valores das eficiências foram considerados satisfatórios,
quando comparados com células eletrolíticas industriais. As células eletrolíticas
industriais operam com uma diferença de potencial que varia de 1,70 a 2,10 volts, o que
corresponde a um rendimento de 70 a 86,5% (Memento de L’Hydrogène, 2002).
4.6 RELAÇÃO DA VAZÃO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO EM RELAÇÃO A
CORRENTE, TENSÃO, POTÊNCIA DO ELETROLISADOR E ENERGIA CONSUMIDA
UTILIZANDO ENERGIA ELÉTRICA CONVENCIONAL
A Tabela 4.8 apresenta a relação das variáveis relacionadas nas Figuras
abaixo, mostrando que com o aumento da vazão do gás, a necessidade do aumento da
corrente aplicada no reator eletrolítico, visto que a tensão é obtida a partir do número de
células do reator e o aumento no setup da máquina, tendo assim um aumento da potência
do reator e a energia necessária para produção do hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
67
Tabela 4.8 – Consumo de Hidrogênio em relação às variáveis Corrente, Tensão,
Potência elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.
Corrente (A)
Tensão (V) Potência
(kW)
Energia
(kWh/ m3)
Vazão do
H2 (m3/h)
13,50 94,4 1,27 5,77 0,220 20,70 95,6 1,98 5,66 0,350 29,05 95,9 2,78 5,45 0,510 32,10 96,1 3,08 5,42 0,568 35,04 96,15 3,37 5,41 0,623 41,10 96,5 3,97 5,39 0,736 42,50 96,6 4,10 5,37 0,763 50,30 96,9 4,87 5,35 0,910
A Figura 4.29 apresenta uma variação média da corrente elétrica em função da
produção de hidrogênio, mostrando que com o aumento da corrente elétrica a o aumento
da vazão do gás.
A produção de hidrogênio é proporcional à corrente que passa através de uma
célula eletrolítica, tem a seguinte reação para demonstrar o aumento da corrente em
relação ao aumento da vazão do gás, a equação 2.4.
2H2O(l) + 2é - H2(g) + 2OH-(aq) (4.4)
Para uma corrente de 13,5 A tem uma vazão de 0,22 m3/h de hidrogênio, e a
medida que aumenta a vazão do gás para 0,91 m3/h de hidrogênio a o aumento
significativo da corrente para 50,3 A.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
68
Y=1,9125+53,203*X R=0,9999
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Cor
rent
e(A)
Vazão do hidrogênio(m3/h)
Figura 4.29 - Comportamento da corrente do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
A Figura 4.30 apresenta o comportamento da tensão do reator em função da
produção de hidrogênio, nota-se que ocorreu uma variação nas tensões do reator, que
depende da quantidade de células presentes no reator eletrolítico e um aumento do setup
da máquina. Variando a tensão de 94,4 V a 96,9 V em todos os experimentos realizados
com vazões de hidrogênio que de 0, a 0,91 m3/h.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
69
92
94
96
98
100
90
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,080
82
84
86
88
Tens
ão(V
)
Vazão do hidrogênio(m3/h)
Figura 4.30 – Comportamento da tensão do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
A Figura 4.31 apresenta a variação da potência do reator eletrolítico em
função da produção de hidrogênio. Ocorre um aumento da potência em relação à vazão
do hidrogênio. Observa-se que a potência elétrica aumenta linearmente com a vazão do
gás, mostrando que o aumento da corrente é fundamental para o aumento da potência.
Para uma potência de 1,27 kW tem uma vazão de 0,22 m3/h, e com o aumento
da vazão para 0,91 m3/h é necessário um aumento da potência para 4,87 kW, maior
potência atingida nos experimentos.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
70
Y=0,13576+5,1996*X R=0,9999
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,00,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
Vazão do hidrogênio(m3/h)
Potê
ncia
(kW
)
Figura 4.31 – Comportamento da potência do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
A energia consumida por metro cúbico de hidrogênio é a relação entre a
potência e a vazão do gás, mostrado na Figura 4.32. O valor da energia diminui a medida
que a potência aumenta, a vazão também aumenta mais significativamente que a da
potência, diminuindo assim a relação da potência versus vazão do gás.
Observa-se que os valores de energia mais próximos do valor teórico foram os
seguintes: As energias de 5,39 kWh/m3 há uma vazão de 0,736 m3/h e 5,37 kWh/m3 há
uma vazão de 0,763 m3/h, representam 51% a mais de energia consumida. E a energia que
ficou mais próxima da teórica foi a de 5,35 kWh/m3, com 50% de energia consumida a
mais que a teórica. As demais energias representam valores acima de 52% de energia
consumida quando comparada com a energia teórica.
Teoricamente para produzir 1 m3 de H2 (0,5 m3 de O2) são necessários 806,3g
de H2O e 730,4 kJ de energia, ou seja, 3,55 kWh/m3 de hidrogênio (Pereira, 2005).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
71
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,05,0
5,2
5,4
5,6
5,8
6,0
Vazão do hidrogênio(m3/h)
Ener
gia(
kWh/
m3 )
Figura 4.32 – Comportamento da energia consumida no reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
4.7 PROJETO DE UM SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA
SOLAR PARA A PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO ELETROLÍTICO
De posse dos dados obtidos através do consumo energético do eletrolisador,
poderá ser projetado um sistema de fornecimento de energia solar, ou seja, definir o
número de painéis fotovoltaicos necessários ao melhor desempenho do eletrolisador.
Várias configurações de painéis são possíveis, painéis em série e/ou paralelos.
Na Tabela 4.9 foram colocados faixas de corrente e de vazões, além da
tensão do reator eletrolítico, dados necessários para determinação do melhor arranjo dos
painéis.
Os cálculos para elaboração da quantidade necessária de painéis
fotovoltaicos foram baseados nas seguintes especificações: o painel fornece uma tensão
de 12 V e uma corrente máxima de 7 A, no entanto tem-se uma perda de carga de 20%
sobre a corrente, dessa forma os cálculos foram realizados para uma corrente de 5 A.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
72
Para uma corrente de até 13,50 A, com uma tensão de 94,4 V, são
necessários 24 painéis, com 8 painéis em série e 3 conjuntos de painéis em paralelos,
fornecendo no máximo 0,22 m3/h de hidrogênio para este tipo de reator eletrolítico. A
vazão por unidade de painel para este experimento foi de 0,009.
Tabela 4.9 – Valores de corrente, tensão do reator eletrolítico e o número de painéis
necessários para fornecer energia.
Corrente
Máxima
(A)
Tensão
(V)
Número
de
Painéis
em Série
Número de
Painéis em
Paralelo
Número
Total de
Painéis
Solares
Vazão
do H2
(m3/h)
Vazão /painel
(m3/h/
unidade de
painel)
13,50 94,4 8 3 24 0,220 0,009 20,70 95,6 8 4 32 0,350 0,011 29,05 95,9 8 6 48 0,510 0,011 32,10 96,1 8 7 56 0,568 0,011 35,04 96,15 8 7 56 0,623 0,011 41,10 96,5 8 9 64 0,736 0,011 42,50 96,6 8 9 64 0,763 0,012 50,30 96,9 8 10 80 0,910 0,011
Para uma vazão de 0,35 m3/h de hidrogênio, uma corrente de 20,70 A, são
necessários 8 painéis em série e 4 conjuntos de painéis em paralelo, totalizando 32
painéis e uma vazão por unidade de painel de 0,011 m3/h.
Com 48 painéis, 8 painéis em série e 6 conjuntos de painéis em paralelo, de
corrente de 29,05 A e 95,9 V de tensão para uma vazão de 0,51 m3/h de hidrogênio. Já
com 56 painéis, 8 painéis em série e 7 conjuntos de painéis em paralelo, pode fornecer
vazões que variam de 0,568 a 0,623 m3/h de hidrogênio, com correntes de 32,1 e 35,04
A e vazões por unidade de painel 0,011 e 0,011 m3/h respectivamente.
Com 64 painéis, 8 painéis em série e 9 conjuntos de painéis em paralelo,
atende a uma faixa de corrente de 41,1 a 42,5 A , com vazões respectivas de 0,736 a
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
73
0,763 m3/h de hidrogênio e vazões por unidade de painel de 0,011 e 0,012 m3/h
respectivamente.
Sabendo-se que para a máxima corrente aplicada ao reator eletrolítico (50,3
A), o sistema fornece uma vazão de até 0,91 m3/h de hidrogênio; necessitando de 80
painéis, 8 painéis em série para atender aos 96,9 V e 10 conjuntos de painéis em
paralelo para uma vazão de 0,011 m3/h por unidade de painel.
Apesar da faixa de corrente de 50,3 A está próximo do consumo de energia
teórico de produção de hidrogênio, não se enquadram no funcionamento ideal do reator,
pois quando o reator atinge uma corrente acima de 45 A, até sua corrente máxima de
trabalho (50 A), a produção de hidrogênio é descoordenada, saindo gás e gotículas
minúsculas de substância liquida (que pode ser devido a um arraste de benzina, álcool
ou a condensação de vapor de água) pelo maçarico.
Para fornecer uma quantidade maior de gás, é necessário o aumento da
corrente, para o aumenta da corrente o sistema necessita de um maior conjunto de
painéis fotovoltaicos associados em paralelo.
A quantidade de painéis ideal para o sistema são de 64 painéis fornecendo
corrente entre 42,50 A, produzindo hidrogênio de 0,763 m3/h, com uma vazão máxima
de 0,012 m3/h por unidade de painel.
4.8 COMPORTAMENTO DA TENSÃO, CORRENTE E POTÊNCIA DO
REATOR ELETROLÍTICO UTILIZANDO PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
COMO FONTE DE ENERGIA
Os resultados obtidos nesta etapa foram avaliados e discutidos, quanto ao
comportamento da corrente, tensão e potência do reator eletrolítico em função do tempo
para diversas vazões de produção do hidrogênio, utilizando energia solar com diferentes
configurações de painéis fotovoltaicos em série.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
74
A Figura 4.33 apresenta o comportamento da tensão do reator eletrolítico em
função do tempo, para um sistema de fornecimento de energia solar acoplado a um reator
eletrolítico.
A tensão necessária para o funcionamento do reator vai depender do número
de células em série que compõe o reator eletrolítico, sendo o reator composto de 47
células em série, que fornece no máximo 2,04 volts por célula e gera uma tensão de até
96 volts no reator eletrolítico. A tensão é fornecida por painéis solares
convenientemente associados em série que dependem da tensão nominal de cada painel
e da incidência solar de momento sobre os painéis fotovoltaicos.
Os arranjos de painéis solares montados para alimentar o eletrolisador com
energia solar foram os seguintes: 6 painéis em série, 9 painéis em série, 12 painéis em
série, 15 painéis em série e 21 painéis em série. O número de painéis escolhidos para
cada experimento foi devido a disposição em que encontravam-se presente, com o
mínimo de 6 painéis e o máximo de 21 painéis solares disponíveis para realizar o
experimento.
A Tabela 4.10 apresenta a relação da tensão do reator em função do tempo
para diversas configurações de painéis solares em série.
Tabela 4.10 – Valores da tensão do reator em função do tempo para diversas
configurações de painéis.
Tensão(V) 82,8 88,0 89,7 90,0 93,9
Painéis 6 9 12 15 21
A Figura 4.33 apresenta o comportamento da tensão em função do tempo
com o aumento do número de painéis fotovoltaicos. Pode observar que para um arranjo
de 6 painéis em série foi fornecido uma tensão de 82,8 volts ao reator, com 21 painéis a
tensão atingiu 93,9 volts, com o aumento da quantidade de painéis solares há o aumento
da tensão que alimenta o reator eletrolítico e a incidência solar é fundamental para o
aumento da voltagem em cada arranjo de painéis.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
75
2,0 2,5 3,0 3,5 4,080
82
84
86
88
90
92
94
96
6 Painéis 9 Painéis 12 Painéis 15 Painéis 21 Painéis
Tens
ão(V
)
Tempo(min)
Figura 4.33 – Comportamento da tensão do reator eletrolítico em função do tempo para diversas configuração de painéis solares em série.
A Figura 4.34 apresenta o comportamento da corrente elétrica do reator
eletrolítico em função do tempo, para um sistema de fornecimento de energia solar
acoplado a um reator eletrolítico. A Tabela 4.11 apresenta a relação da corrente em
função do tempo para diversas configurações de painéis solares em série.
Tabela 4.11 – Valores de corrente em função do tempo para diversas configurações de
painéis.
Corrente(A) 1,1 3,4 4,3 4,49 5,6
Painéis 6 9 12 15 21
Na Figura 4.34, o reator eletrolítico foi avaliado para diversas configurações
de painéis solares, a corrente varia de acordo com o sistema montado. Para a
configuração com 6 painéis em série a corrente obtida foi de 1,1 A, com o acréscimo de
painéis solares para um arranjo de 21 painéis em série, a corrente atingiu 5,6 A e o
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
76
aumento de corrente em relação a quantidade de painéis em série é devido ao aumento
da tensão gerada pelo acréscimo de painéis fotovoltaicos.
2,0 2,5 3,0 3,5 4,00,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Figura 4.34 – Comportamento da corrente elétrica do reator eletrolítico em função do tempo para diversas configurações de painéis solares em série.
A Figura 4.35 apresenta o comportamento da potência do reator eletrolítico
em função do tempo, para um sistema de fornecimento de energia solar acoplado a um
reator eletrolítico. A Tabela 4.12 apresenta a relação da potência do reator em função do
tempo para diversas configurações de painéis solares em série.
Tabela 4.12 – Valores da potência do reator em função do tempo para diversas
configurações de painéis.
Potência(W) 91,0 299,2 385,7 404,1 525,8
Painéis 6 9 12 15 21
Cor
rent
e(A
)
Tempo(min)
6 Painéis 9 Painéis 12 Painéis 15 Painéis 21 Painéis
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
77
Através da tensão e corrente, obtém os valores da potência do reator
eletrolítico, a Figura 4.35 apresenta a potência que variou de 91,0 W a 525,8 W, para
diversos arranjos de painéis solares (6 painéis a 21 painéis solares). O acréscimo de
painéis solares aumenta a tensão e corrente, sendo responsável pelo aumento da
potência do reator eletrolítico.
2,0 2,5 3,0 3,5 4,00
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
6 Painéis 9 Painéis 12 Painéis 15 Painéis 21 Painéis
Pot
ênci
a(W
)
Tempo(min)
Figura 4.35 – Comportamento da potência do reator eletrolítico em função do tempo para diversas configuração de painéis solares em série.
4.9 CÁLCULO DA EFICIÊNCIA DAS CÉLULAS ELETROLITICAS PARA UM
REATOR UTILIZANDO ENERGIA SOLAR.
As tensões aplicadas no reator eletrolítico foram de 82,8 a 93.9 V, obtidas
com a diferença de potencial aplicada sobre a quantidade do número de células presente
no reator, que são de 47 células, tendo assim em cada célula uma diferencia de potencial
de 1,76 a 1,99 Volts. Através da diferença de potencial aplicada, pode-se obter a
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
78
eficiência das células eletrolíticas, a Tabela 4.13 apresenta a relação da tensão aplicada
no reator, a tensão aplicada por célula e a eficiência das células.
A eficiência de uma célula eletrolítica em termos de tensão é dada por:
( ) 10047,1% ×⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=
Vη (4.5)
Tabela 4.13 – Tensão aplicada ao reator, tensão em cada célula e eficiência das células.
Tensão(V) Tensão em cada célula(V)
Eficiência(%)
82,8 1,76 V 83,5 88,0 1,87 V 78,6 89,7 1,91 V 76,9 90,0 1,91 V 76,9 93,9 1,99 V 73,9
A tensão aplicada a cada célula foi de 1,76 a 1,99 volts, tendo assim uma
eficiência de 73,9 a 83,5%. Os valores das eficiências foram considerados satisfatórios,
quando comparados com células eletrolíticas industriais. As células eletrolíticas
industriais operam com uma diferença de potencial que varia de 1,70 a 2,10 volts, o que
corresponde a um rendimento de 70 a 86,5% (Memento de L’Hydrogène, 2002).
4.10 MEDIÇÃO DA VAZÃO DOS GASES OXIGÊNIO E HIDROGÊNIO
UTILIZANDO COMO FONTE DE ENERGIA PAINÉIS FOTOVOLTAICOS.
Para determinar a produção do gás foi montado um sistema com uma proveta e
um recipiente de vidro no qual foi imerso o maçarico com saída de gás. Os dados
apresentados na Tabela 4.14 referem-se à curva de calibração das vazões em função da
corrente. Cada ponto na Figura representa a média de três repetições realizadas para cada
valor de corrente e tempo de esvaziamento da proveta. A Figura 4.36 apresenta a curva de
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
79
calibração das vazões em função da corrente, o aumento da vazão do gás é proporcional
ao aumento da corrente.
Tabela 4.14 – Valores experimentais da curva de calibração das vazões em função da
corrente.
Corrente(A) 0 1,1 3,4 4,3 4,49 5,6
Tempo(s) 0 214 71 46 35 54
Volume (L) 0 0,5 1 1 1 2
Vazão(L/min) 0 0,14 0,85 1,3 1,7 2,25
2,0
2,5
1,5
0 1 2 3 4 5 6 70,0
0,5
1,0
Vazã
o(L/
min
)
Corrente(A)
Figura 4.36 – Curva de calibração da vazão em função da corrente.
4.11 CÁLCULOS DA PRODUÇÃO DO HIDROGÊNIO UTILIZANDO COMO
FONTE DE ENERGIA OS PAINÉIS FOTOVOLTAICOS
A partir dos dados da Tabela 4.15 foi possível quantificar a produção de hidrogênio obtida
na reação da decomposição da água:
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
80
H2O(l) H2(g) + ½ O2(g) (4.6)
Assim foi visto que para cada mol de água são produzidos 1 mol de
hidrogênio e 0,5 mol de oxigênio. A equação mostra que a vazão é igual à 1,5 vezes a
vazão do hidrogênio. Conseqüentemente, a vazão do hidrogênio é:
Vazão do hidrogênio = 2,25 L/min vazão do gás (H2 + O2) / 1,5 = 1,50 L/min
de hidrogênio.
De forma análoga foram realizados todos os cálculos para determinar a
produção de hidrogênio em cada experimento, encontram-se presentes na Tabela 4.15.
Tabela 4.15 – Vazão do hidrogênio.
Vazão do gás O2 + H2 (L/min)
Vazão do H2 (L/min)
0,14 0,093 0,86 0,57 1,30 0,87 1,69 1,13 2,25 1,50
4.12 RELAÇÃO DA VAZÃO DA PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO EM
RELAÇÃO A CORRENTE, TENSÃO, POTÊNCIA DO ELETROLISADOR E
ENERGIA CONSUMIDA UTILIZANDO ENERGIA SOLAR.
A Tabela 4.16 apresenta a relação das variáveis relacionadas nas figuras
abaixo, mostrando que com o aumento da vazão do gás, a necessidade do aumento da
corrente aplicada no reator eletrolítico, visto que a tensão é obtida a partir da irradiação
solar e o número de células do reator, tendo assim um aumento da potência do reator, que
é a energia necessária para produção do hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
81
Tabela 4.16 – Consumo de Hidrogênio em relação às variáveis Corrente, Tensão,
Potência elétrica do Reator Eletrolítico e Energia Consumida.
Corrente (A) Tensão (V) Potência
(kW)
Vazão do
H2 (m3/h)
Energia
(kWh/ m3)
Vazão
do H2
(L/min)
1,1 82,8 0,091 0,0056 16,25 0,093 3,4 88,0 0,299 0,034 8,79 0,57 4,3 89,7 0,3857 0,052 7,41 0,87 4,49 90,0 0,4041 0,068 5,94 1,13 5,6 93,9 0,5258 0,090 5,84 1,50
A Figura 4.37 apresenta a variação da corrente elétrica em função da produção
de hidrogênio, evidenciando que com o aumento da corrente elétrica ocorre o aumento da
produção do hidrogênio.
A produção de hidrogênio é proporcional à corrente que passa através de uma
célula eletrolítica. A seguinte reação demonstra o aumento da corrente em relação ao
aumento da vazão do gás.
2H2O(l) + 2é - H2(g) + 2OH-(aq) (4.7)
Para uma corrente de 1,1 A tem-se uma vazão de 0,093 L/min de hidrogênio, e
a medida que aumenta a vazão do gás para 1,50 L/min de hidrogênio ocorre o aumento
significativo da corrente para 5,6 A.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
82
0,0 0,5 1,0 1,5 2,00,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
5,5
6,0
Y = 1,2270 + 3,0638 * XR = 0,97305
Cor
rent
e(A)
Vazão do hidrogênio(L/min)
Figura 4.37 - Comportamento da corrente do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
A Figura 4.38 apresenta o comportamento da tensão do reator em função da
produção de hidrogênio, nota-se o aumento da tensão do reator depende da quantidade de
células presentes no reator eletrolítico, número de painéis ligados em série e irradiação
solar. Com o aumento na tensão gera um aumento da corrente, que por conseqüência
produz uma maior vazão de hidrogênio. A tensão varia de 82,8 a 93,9 V, a uma vazão de
0,093 e 1,50 L/min de hidrogênio.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
83
0,0 0,5 1,0 1,5 2,005
101520253035404550556065707580859095
Te
nsão
(V)
Vazão(L/min)
Figura 4.38 – Comportamento da tensão do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
A Figura 4.39 apresenta a variação da potência do reator eletrolítico em
função da produção de hidrogênio. Ocorre um aumento da potência em relação à vazão
do hidrogênio. Observa-se que a potência elétrica aumenta linearmente com a vazão do
gás, mostrando que o aumento da corrente e da tensão é fundamental para o aumento da
potência.
Para uma potência de 91,0 kW tem uma vazão de 0,093 L/min, e com o
aumento da vazão para 1,50 L/min é necessário um aumento da potência para 525,8 W,
maior potência atingida nos experimentos.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
84
0,0 0,5 1,0 1,5 2,00
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Y = 95,5173 + 295,0309 * XR = 0,9798
Potê
ncia
(W)
Vazão do hidrogênio(L/min)
Figura 4.39 – Comportamento da potência do reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
A energia consumida por metro cúbico de hidrogênio é a relação entre a
potência e a vazão do gás, apresentado na Figura 4.40. O valor da energia diminui,
porque a medida que a potência aumenta, também a vazão aumenta, visto que a vazão
aumenta significativamente em relação a potência, diminuindo assim a relação da
potência versus vazão do gás.
Observando-se o comportamento da variação do consumo de energia em função
da vazão, nota-se que, para a energia de 5,94 kWh/m3 há uma vazão de 1,13 L/min e para
5,84 kWh/m3 há uma vazão de 1,50 L/min, as energias encontram-se próximo da faixa do
consumo de 3,55 kWh/m3, valor teórico para a produção de hidrogênio. Estão destacadas
na Figura 4.40 as energias que estão próximas da faixa de consumo teórico.
Teoricamente para produzir 1 m3 de H2 (0,5 m3 de O2) são necessários 806,3g
de H2O e 730,4 kJ de energia, ou seja, 3,55 kWh/m3 de hidrogênio (Pereira, 2005).
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
85
Figura 4.40 – Comportamento da energia consumida no reator em função de diversas vazões de hidrogênio.
4.13 SISTEMA DE FORNECIMENTO DE ENERGIA SOLAR PARA A
PRODUÇÃO DE HIDROGÊNIO ELETROLÍTICO
De posse dos dados obtidos através da corrente, tensão e o número de painéis
utilizados para a produção de hidrogênio, foram avaliados a energia consumida e a vazão
de hidrogênio por unidade de painel.
Na Tabela 4.17 foram colocados os valores de corrente, tensão, número de
painéis em série utilizados no experimento, energia consumida, a vazão de hidrogênio
produzida e a vazão por unidade de painel solar.
0,0 0,5 1,0 1,5 2,00123456789
1011121314151617181920
Ener
gia(
kWh/
m3 )
Vazão do hidrogênio(L/min)
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
86
Tabela 4.17 – Valores de corrente, tensão do reator eletrolítico, energia consumida e o
número de painéis necessários para fornecer energia.
Corrente
(A)
Tensão
(V)
Números de
Painéis em
Série
Energia (kWh/m3)
Vazão do
H2 (L/min)
Vazão/painel
(L/min/unid)
1,1 82,8 6 16,25 0,093 0,0155 3,4 88,0 9 8,79 0,57 0,060 4,3 89,7 12 7,41 0,87 0,073 4,49 90,0 15 5,94 1,13 0,075 5,6 93,9 21 5,84 1,50 0,071
Para uma corrente de 1,1 A com uma tensão gerada de 82,8 V, fornecido por
6 painéis fotovoltaicos produziu 0,093 L/min de hidrogênio e consumiu uma energia de
16,25 kWh/m3, produzindo uma vazão de 0,0155 L/min por unidade de painel solar.
Para este resultado precisam de um elevado consumo de energia para produzir uma
vazão desprezível, valores obtidos num dia de insolação baixa.
Para produzir uma vazão de 0,57 L/min a uma corrente de 3,4 A e 88,0 volts,
foram necessários 9 painéis, que consumiram uma energia de 8,79 kWh/m3 e
produziram uma vazão de 0,060 L/min por unidade de painel fotovoltaico. Para um dia
nublado utilizou-se o mínimo de 9 painéis solares que produziram hidrogênio com uma
vazão significativa de 0,57 L/min.
Para uma corrente de 4,3 A com uma tensão gerada de 89,7 V, fornecido por
12 painéis fotovoltaicos produziu-se 0,87 L/min de hidrogênio e consumiu-se uma
energia de 7,41 kWh/m3, produzindo uma vazão de 0,073 L/min por unidade de painel
solar. Esses valores foram obtidos num dia de insolação baixa.
Para produzir uma vazão de 1,13 L/min a uma corrente de 4,49 A e 90,0
volts, foram necessários 15 painéis, que consumiram uma energia de 5,94 kWh/m3
(valor este próximo do valor teórico de produção de hidrogênio) e produziram uma
vazão máxima dentre as configurações de painéis em série de 0,075 L/min por unidade
de painel fotovoltaico. Esses valores foram obtidos num dia de insolação baixa.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
87
A Figura 4.41 apresenta o comportamento da vazão por unidade de painel em
função ao número de painéis solares ligados em série, que foram testados no reator
eletrolítico. É possível observar que a vazão por unidade de painel aumenta com o
acréscimo de painéis solares até uma configuração de 15 painéis, ponto em que atinge a
máxima vazão de 0,075 m3/h por unidade de painel.
Quando são adicionados mais painéis em série ligados aos 15 painéis solares,
diminui o rendimento da vazão por cada painel, visto que a vazão já não aumenta tão
significativamente com o aumento de painéis. Logo, o ponto ótimo de painéis solares para
este eletrolisador são 15 painéis em série.
0,06
0,07
0,08
0,05 Figura 4.41: Comportamento da vazão por unidade de painel em função do número
de painéis solares.
Apesar do arranjo de 21 painéis consumirem uma energia 5,84 kWh/m3,
valor este próximo do valor teórico de produção de hidrogênio e a uma corrente de 5,6
A e tensão de 93,9 volts, não se enquadram no funcionamento ideal do reator, por
diminuir a vazão em relação a cada unidade de painel solar, elevando os custos com
painéis fotovoltaicos.
4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 220,01
0,02
0,03
0,04
Vaz
ão /
Pai
nel S
olar
Painéis Solares
21 Painéis Solares 15 Painéis Solares
9 Painéis Solares 6 Painéis Solares
12 Painéis Solares
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
88
4.14 COMPORTAMENTO DO ELETROLISADOR EM FUNÇÃO DA
TENSÃO E CORRENTE DO REATOR ELETROLÍTICO
O eletrolisador bipolar é formado por um conjunto de células eletrolíticas
ligadas em série, que aumenta a tensão do reator com o aumento da quantidade de
células e a incidência solar. O eletrolisador em estudo é composto de 47 células em
série.
A configuração do eletrolisador requer baixas amperagens e altas voltagens
devido ao número de células conectadas em série. Assim, os painéis solares foram
montados em diversas configurações:
• 6 painéis solares em série;
• 9 painéis solares em série;
• 12 painéis solares em série;
• 15 painéis solares em série;
• 18 painéis solares em série;
• 21 painéis solares em série.
Os painéis solares foram ligados diretamente ao eletrolisador, no entanto a
corrente e a tensão não atingiram seus picos, devido a presença de nuvens e a ausência
de baterias para suprir a queda de energia nos momentos de baixa irradiação solar.
A Tabela 4.18 representa a corrente e tensão, valores fornecidos pelos
painéis fotovoltaicos.
Tabela 4.18 – Valores de corrente e tensão, fornecidos por painéis solares.
Corrente (A) Tensão(V) Quantidade
de Painéis
1,1 82,8 6 2,25 86,7 9 3,5 89,2 12 4,49 90 15 6,6 93,9 18 7,5 94,2 21
João Sales de Souza Filho
Capítulo 4 – Resultados e Discussões
89
74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 1000,00,51,01,52,02,53,03,5
4,4,
050
5,56,06,57,07,58,0
5,C
orre
nte(
A)
Tensão(V)
Figura 4.42 – Comportamento da corrente versus a tensão do eletrolisador.
A Figura 4.42 mostra o comportamento da corrente versus tensão, no qual
observa-se um aumento na tensão que gera um aumento na corrente. A partir de 82,8 V,
ocorre a formação das primeiras bolhas dos gases nas cavidades do reator, onde haverá
produção de hidrogênio. Assim, com a configuração de 6 painéis em série obtém o inicio
da formação das primeiras bolhas dos gases.
Pode ser observado que a partir de uma configuração de 6 painéis solares em
série, ocorre uma produção mínima de hidrogênio a uma tensão acima de 82,8 V.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 5 – Conclusões 90
5. CONCLUSÕES
De acordo com o estudo realizado durante o trabalho de um sistema de
produção de hidrogênio eletrolítica utilizando energia elétrica, foram obtidas as
seguintes conclusões:
• Para o sistema funcionando com energia elétrica, o aumento da corrente
vai depender da tensão, a voltagem aumenta com um ajuste no setup da
máquina. Os valores da potência vão aumentar com a tensão e corrente.
O aumento da produção de hidrogênio é proporcional ao fluxo de
elétrons que passa através de uma célula eletrolítica.
• A energia é consumida em relação a potência com o volume de
hidrogênio produzido em metros cúbicos, os valores da energia
diminuem com o aumento da vazão do hidrogênio, isso ocorre devido ao
aumento significativo da vazão em relação à potência. Logo as energias
de 5,39 kWh/m3, 5,37 kWh/m3 e 5,35 kWh/m3 referentes às correntes de
41,10, 42,50 e 50,30 A respectivamente. Porém para uma corrente
superior a 45 A o sistema não tem seu funcionamento adequado para a
produção do hidrogênio, devido sair do maçarico gás e gotículas
minúsculas de substâncias liquidas.
• O sistema tem seu funcionamento ótimo em 42,5 A, a uma voltagem de
96,6 V e energia consumida de 5,37 kWh/m3 para 64 painéis. As
quantidades superiores a 64 painéis apenas elevam os custos, pois com 64
painéis atingiria a maior vazão de 0,012 m3/h por unidade de painel.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 5 – Conclusões 91
Para um estudo realizado de um sistema de produção de hidrogênio
eletrolítica utilizando energia solar, foram obtidas as seguintes conclusões:
• O aumento da corrente vai depender da tensão, a voltagem aumenta
com o acréscimo de painéis fotovoltaicos em série e a incidência solar
sobre os painéis. Os valores da potência vão aumentar com a tensão e
corrente. O aumento da produção de hidrogênio é proporcional ao fluxo
de elétrons que passa através de uma célula eletrolítica.
• Os valores da energia diminuem com o aumento da vazão do hidrogênio,
isso ocorre devido ao aumento significativo da vazão em relação à
potência. Logo as energias de 5,94 kWh/m3 e 5,84 kWh/m3 referentes as
configurações de 15 e 21 painéis solares respectivamente.
• Com uma voltagem aplicada ao sistema de 82,8 V, com 6 painéis em série
há produção mínima de hidrogênio, com uma tensão de 88,0 V, gerada por
9 painéis em série ocorre a produção de hidrogênio significativa, mas a
partir de 93,9 V gerados de 15 painéis em série o eletrolisador bipolar
fornece sua maior produção de 0,075 L/min de hidrogênio por unidade de
painel fotovoltaico.
• No comportamento do eletrolisador em função da corrente versus
tensão, pode observar um aumento da tensão que gera um aumento na
corrente. A partir de 82,8 V, começa a formação das primeiras bolhas do
gás, utilizando o mínimo de 6 painéis em série.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 6 – Perspectivas
92
6. PERSPECTIVAS
Perspectivas para futuros trabalhos:
• Montar e testar um eletrolisador constituído de 6 células eletrolíticas
com a produção separada do H2 e do O2.
• Acoplar o eletrolisador e testar o sistema de fornecimento de energia
solar projetado, isto é, o número de painéis fotovoltaicos e de baterias
necessárias ao melhor desempenho do eletrolisador;
• Estimar o custo do hidrogênio eletrolítico obtido da fonte de energia
solar.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 7 – Referências Bibliográficas
93
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALVES, J. J., Avaliação de Parâmetros de Combustão H2/O2 obtidos a partir de um
Reator Eletroquímico Bipolar (Dissertação de Mestrado) DEQ/UFPB/ Campina Grande
– PB, 1992.
AMOS, W.A., Costs of storing and transporting hydrogen, Golden, CO: National
Renewable Energy Laboratory (NREL), November 1998.
AMORIM, M. C. C., Avaliação de um Sistema de Aquecimento fazendo uso de
Hidrogênio Eletrolítico como Fonte de Energia (Dissertação de Mestrado), DEQ /
UFPB / Campina Grande – PB, 1995.
ANDRADE, N. C., Avaliação de uma Soldadora Oxi - Hidrogênica com Adição de
Oxigênio (Dissertação de Mestrado), DEQ / UFPB / Campina Grande – PB, 1993.
APPLEBY, A.J e FOULKES, F.R., Fuel Cell Handbook, Krieger Publishing
Company Malabar, Flórida., 1993.
ARNASON, B. and Sigfússon, T., Iceland – a future hydrogen economy, International
Journal of Hydrogen Energy, 25 (2000) 89.
AVACA, L. A. e TOKORO, R. . A História, Evolução e Crescimento da
Eletroquímica/Eletroanalítica Nestes Últimos 25 Anos. Química Nova, v. 25, n. 1, p.
25-30, 2002
BARTHELS, H., Brocke, W.A., Bonhoff, K., Groehn, H.G., Heuts, G., Lennartz, M.,
Mai, H., Mergel, J., Schmid, L. and Ritzenhoff, P., Phoebus-Julich: an autonomous
energy supply system comprising photovoltaics, electrolytic hydrogen, fuel cell.
International Journal of Hydrogen Energy, 23 (1998) 295.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 7 – Referências Bibliográficas
94
BOCKRIS J. O. M., e, CONWAY B. E. Modesrn Aspects of Electrochemistry,
Plenum Press – New York, 1975.
COLLEGE OF THE DESERT, a) Hydrogen Fuel cell Engines and Related
Technologies, Module 2: Hydrogen Use, 2001. b) Hydrogen Fuel cell Engines and
Related Technologies, Module 1: Hydrogen Use, 2001.
DUNN, S., Hydrogen futures: toward a sustainable energy system, International
Journal of Hydrogen Energy, 27 (2002) 235.
GALLI, S. and Stefanoni, M., Development of a solar-hydrogen cycle in Italy.
International Journal of Hydrogen Energy, 22 (1997) 453.
GOETZBERGER, A., LUTHER, J e WILLEKE, G., Solar cells: past, present, future,
Solar Energy Materials & Solar Cells, 74 (2002) 1-11.
GONZALES, E. R., Eletrocatálise e poluição ambiental. Química Nova, 23 (2000) 2.
HOLLMULLER, P., Joubert, J.M., Lachal, B. and Yvon K., Evaluation of a 5 kWp
photovoltaic hydrogen production and storage installation for a residential home in
Switzerland. International Journal of Hydrogen Energy, 25 (2000) 97.
HOLLENBERG, J.W., Chen, E.N., Lakeram, K. and Modroukas, D., Development of a
photovoltaic energy conversion system with hydrogen energy storage. International
Journal of Hydrogen Energy, 20 (1995) 239.
KREUTER, W.Hofmann, H. Hydrogen Production from Renewables. EESD N°:
NNE5-PTA-2002-003 / 1.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 7 – Referências Bibliográficas
95
LEE, J.D., Química inorgânica não tão concisa, 4ª ed., Editora Edgard Blucher Ltda.,
1996, p.103-115.
LEHMAN, P.A., Chamberlin, C.E., Pauletto, G. And Rocheleau, M.A., Operating
experience with a photovoltaic-hydrogen energy system. International Journal of
Hydrogen Energy, 22 (1997) 465.
LUTERO, C. L., VEZIROGLU, T. N., Long- term envirornmental and sócio-
economic impact of a hydrogen energy program in Brazil. International Journal of
Hydrogen Energy, 26 (2001) 39 – 45.
MCVEIGH, J.C., Sun Power – An introduction to the applications of solar energy.
Pergamon International Library. England, 1979.
Memento de L’Hydrogène, disponível no site Association Française de L’Hidrogène
< http://www.afh2.org/>. Acesso em outubro de 2003.
NOWOTNY, J e SHEPPARD, L.R, Solar-hydrogen, International Journal of Hydrogen
Energy, 32 (2007) 2607 – 2608.
PALZ, W. Energia solar e fontes alternativas. Hemus. São Paulo, 1981.
PEQUENO, F. S., Aplicação do Hidrogênio Eletrolítico para fins de Aquecimento de
Ambiente Através de um Trocador de Calor Convectivo (Dissertação de Mestrado),
DEQ / UFPB / Campina Grande – PB, 1996.
PEREIRA, F. F., Desenvolvimento e Avaliação de um Sistema de Aquecimento para
Cozimento de Argilas Utilizando Hidrogênio Eletrolítico como Combustível
(Dissertação de Mestrado), DEQ / UFCG / Campina Grande – PB, 1999.
João Sales de Souza Filho
Capítulo 7 – Referências Bibliográficas
96
PEREIRA, F. F., Desenvolvimento e Avaliação de um Sistema de Aquecimento
Utilizando Hidrogênio Eletrolítico como Combustível (Tese de Doutorado), DEQ /
UFCG / Campina Grande – PB, 2005.
SEBASTIAN, P.J; e GAMBOA, S.A, Local grid connected integrated solar-
hydrogen-fuel cell systems in México. International Journal of Hydrogen Energy, 32
(2007) 3109.
SEBASTIAN, P.J., Materials for hydrogen production & storage. International
Journal of Hydrogen Energy, Volume 26, Issue 12, December 2001, Page 1257.
SOBRINHO, M. A. M., Estudo de Sistema de Aquecimento de Ambiente Utilizando
Hidrogênio Eletrolítico como Combustível (Dissertação de Mestrado), DEQ / UFPB /
Campina Grande – PB, 1995.
SULAIMAN, A., VEZIROGLU, T. N., Solar-hydrogen energy system for Saudi
Arabia, International Journal of Hydrogen Energy, 29 (2004) 1181 – 1190.
VERA, L.H. e KRENZINGER, A. Software PVSIZE - Desempeño en Simulación de
Sistemas Fotovoltaicos.Avances en Energías Renovables y Medio Ambiente. v. 8, n.
1, p. 04.13-04.18, Argentina, 2004.
VLADIMIR, L., Gaseous hydrogen production by water dissociation method.
International Journal of Hydrogen Energy.
WENDT, H.; Götz, M. e Linardi, M., “Tecnologia de Células a Combustível”, Química
Nova, 2000, 23(4).
João Sales de Souza Filho
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